CN103019252A - 一种火星探测器自主对地定向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火星探测器自主对地定向控制方法，使用于火星探测器任意姿态情况下完成全姿态捕获地球和对地定向，仅仅使用星敏感器作测量，反作用飞轮作为执行部件提供控制力矩。直接使用星敏感器的测量值，无须通过滤波算法确定姿态，实现了不依赖陀螺的安全模式。与现有技术相比，该方法不依赖地球敏感器和陀螺，能够自主完成全姿态捕获地球和对地定向，有较强的实用推广价值。

Description

一种火星探测器自主对地定向控制方法

技术领域

本发明涉及火星探测器对地球定向姿态控制技术，尤其是用于火星探测器任意姿态情况下完成对地定向，仅仅使用星敏感器作测量部件，反作用飞轮作为执行部件提供控制力矩。直接使用星敏感器的测量值，不须通过滤波算法确定姿态，符合最小硬件配置原则。 

背景技术

国内研制火星探测器，在执行火星探测任务时，首先要数传天线对地定向，确保科学探测数据能够下传，在深空探测中，没有直接的地球敏感器可以测量对地姿态信息，需要星上自主进行火星、地球公转轨道及星历递推来确定对地定向基准，另外，由于火星与地球距离遥远无法进行实时遥控，火星探测器必须能够在任意姿态情况下自主完成捕获地球和对地定向，因此，需要研制一种火星探测器自主对地定向技术。 

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种火星探测器自主对地定向控制方法，无需陀螺的角速度数据作为反馈，采用星敏感器和飞轮的最小配置，能够在任意姿态情况下自主完成捕获地球和对地定向。 

为解决上述技术问题，本发明是通过以下的技术方案实现的，一种火星探测器自主对地定向控制方法，其具体包括如下步骤： 

1.通过计算地球、火星的星历得到火星对地球指向矢量，根据对地坐标系的定义，计算惯性坐标系到对地定向基准坐标系的转换四元数； 

2.采用前馈+反馈策略的解耦控制律计算飞轮转速指令，通过飞轮转速控 制实现对地定向机动； 

3.对地机动完成后，利用星敏感器测量值计算的姿态角作为P项反馈，姿态角积分作为I项反馈，利用飞轮PI控制律进行对地稳态控制； 

4.设置对地定向时间限制，进行计时或者整星蓄电池电量判断，当发生超时或者能源危机时自主转回对日定向模式； 

本发明采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是： 

该发明方法，解决了火星探测任意姿态情况下捕获地球和对地定向问题，火星探测器长期运行时不需要陀螺测量信息，也可以降低火星探测器对陀螺的配置要求，从而增加系统长期运行的可靠性。 

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

图1是本发明方法对地定向关系示意图。 

具体实施方式

当火星探测器进入全姿态捕获地球时，首先根据星上系统时钟值计算对地定向基准，进行对地定向机动，完成对地机动后，进入对地定向稳态控制以完成对地数传。各模式下的具体实施方式如下所述。 

如图1所示，对地定向姿态基准由火星指向地球的矢量r_em和地球公转轨道的法线矢量h_e确定。火星与地球连线并指向地球为+Zre向，火星指向地球矢量r_em和地球公转面法线矢量h_e所在平面的法线为+Xre，Yre轴根据右手坐标系法则得到，对地定向基准计算过程如下： 

地球平根数计算 

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{a}}_e=1.00000102\×1.4959787\×{10}^8\left(\mathrm{km}\right)\\ {\stackrel{\‾}{e}}_e=0.016704140\\ {\stackrel{\‾}{i}}_e=0\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}}_e=0\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_e=102.971723\·\mathrm{\π}/180\\ {\stackrel{\‾}{M}}_e=(357.529100+0.98560028169\·\mathrm{MJD})\·\mathrm{\π}/180\end{array}\right.$

式中： 

为地球公转轨道半长轴； 

为地球公转轨道偏心率； 

为地球公转轨道倾角； 

为地球公转轨道升交点赤经； 

为地球公转轨道近日点幅角； 

为地球公转轨道平近点角。 

地球位置计算 

$f_e={\stackrel{\‾}{M}}_e+2{\stackrel{\‾}{e}}_e\·\sin {\stackrel{\‾}{M}}_e+1.25{{\stackrel{\‾}{e}}_e}^2\·\sin \left(2{\stackrel{\‾}{M}}_e\right)$

$r_e={\stackrel{\‾}{a}}_e(1-{\stackrel{\‾}{e}}_e^2)/(1+{\stackrel{\‾}{e}}_e\cos f_e)$

$u_e={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_e+f_e$

式中： 

f_e为地球公转轨道真近点角； 

r_e为地球太阳之间的距离； 

u_e为地球公转轨道升交点幅角。 

地球绕太阳运动的位置在日心黄道坐标系中的分量为 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e=r_e\·\cos u_e\\ y_e=r_e\·\sin u_e\\ z_e=0\end{array}\right.$

火星平根数计算 

式中： 

为火星公转轨道半长轴； 

为火星公转轨道偏心率； 

为火星公转轨道倾角； 

为火星公转轨道升交点赤经； 

为火星公转轨道近日点幅角； 

为火星公转轨道平近点角。 

火星位置计算 

$f_M={\stackrel{\‾}{M}}_M+2{\stackrel{\‾}{e}}_M\·\sin {\stackrel{\‾}{M}}_M+1.25{{\stackrel{\‾}{e}}_M}^2\·\sin \left(2{\stackrel{\‾}{M}}_M\right)$

$r_M={\stackrel{\‾}{a}}_M(1-{\stackrel{\‾}{e}}_M^2)/(1+{\stackrel{\‾}{e}}_M\cos f_M)$

$u_M={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_M+f_M$

式中： 

f_M为火星公转轨道真近点角； 

r_M为火星太阳之间的距离； 

u_M为火星公转轨道升交点幅角。 

火星绕太阳运动的位置在日心黄道坐标系中的分量为 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_M=r_M\·({\cos u}_M{\cos \mathrm{\Ω}}_M-{\sin u}_M\cos {\stackrel{\‾}{i}}_M\sin {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}}_M)\\ y_m=r_m\·(\cos u_M\sin {\mathrm{\Ω}}_M+\sin u_M\cos {\stackrel{\‾}{i}}_M\cos {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}}_M)\\ z_m=r_M\·\left(\sin u_M\sin {\stackrel{\‾}{i}}_M\right)\end{array}\right.$

通过星历递推，可以得到日心黄道坐标系下的地球绕太阳的位置矢量 

火星绕太阳的位置矢量 

设火星指向地球球心的矢量为 对地定向基准 坐标系3个轴向的单位矢量分别为 

则 

${\stackrel{\→}{s}}_e={\stackrel{\→}{r}}_e-{\stackrel{\→}{r}}_m$

${\stackrel{\→}{h}}_e={\left[001\right]}^T$

${\stackrel{\→}{e}}_z={\stackrel{\→}{s}}_e/\left|{\stackrel{\→}{s}}_e\right|$

${\stackrel{\→}{e}}_x={\stackrel{\→}{s}}_e\×{\stackrel{\→}{h}}_e$

${\stackrel{\→}{e}}_x={\stackrel{\→}{e}}_x/\left|{\stackrel{\→}{e}}_x\right|$

${\stackrel{\→}{e}}_y={\stackrel{\→}{e}}_z\×{\stackrel{\→}{e}}_x$

${\stackrel{\→}{e}}_y={\stackrel{\→}{e}}_y/\left|{\stackrel{\→}{e}}_y\right|$

日心黄道坐标系到对地定向基准坐标系的转换矩阵Cr_E为 

$C_{r\_E}=\left[\begin{array}{c}{{\stackrel{\→}{e}}_x}^T\\ {{\stackrel{\→}{e}}_y}^T\\ {{\stackrel{\→}{e}}_z}^T\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{A}_{11}& A_{12}& A_{13}\\ A_{21}& A_{22}& A_{23}\\ A_{31}& A_{32}& A_{33}\end{array}\right]$

转换为四元素形式得到q_re

日心地球赤道惯性坐系到日心黄道坐标系的转换四元数 

为 

$q_{\mathrm{ei}}^e=\left[\begin{array}{c}\cos \frac{{\mathrm{\ϵ}}_e}{2}\\ \sin \frac{{\mathrm{\ϵ}}_e}{2}\\ 0\\ 0\end{array}\right],$ 其中ε_e＝23.437905°·π/180 

日心地球赤道惯性坐标系到对地定向基准坐标系的转换四元数q_rEi为 

$q_{\mathrm{rEi}}=q_{\mathrm{ei}}^e\⊗q_{\mathrm{rE}}$

根据星敏感器测量到的星体四元素q_ib和对地定向基准四元素q_rEi，可以计算得到姿态机动四元素： 

$q=q_{\mathrm{rEi}}^{-1}\⊗q_{\mathrm{ib}}$

对地机动过程中飞轮指令计算如下： 

$\mathrm{\Ω}\left(t\right)=I_w^{-1}B\·A\left(q\right)\·B^{-1}{\mathrm{\Ω}}_0-I_w^{-1}\mathrm{BIe}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}$

式中： 

是星体的角动量变化(星体初始角速度认为0)； 

φ为星体绕欧拉轴的欧拉转角； 

A(q)是星体当前指向相对机动开始时刻星体指向的方向余弦阵； 

I是包括飞轮在内的星体惯量矩阵； 

I_w是飞轮的惯量阵； 

B飞轮的指令分配矩阵(B^-1则为飞轮安装矩阵)； 

Ω飞轮转速矢量。 

对地机动到位后，星敏感器测量值与对地基准四元素计算偏差四元素为： 

$q=q_{\mathrm{rEi}}^{-1}\⊗q_{\mathrm{ib}}=[q_0,q_1,q_2,q_3]$

q₀为标量； 

滚动姿态角 

俯仰姿态角θ＝2*q₂； 

偏航姿态角ψ＝2*q₃

对地定向稳态模式下闭环控制律计算： 

$R_y=K_{p2}\mathrm{\θ}+K_{i2}{\∫}_{t_0}^t\mathrm{\θdt}$

$R_z=K_{p3}\mathrm{\ψ}+K_{i3}{\∫}_{t_0}^t\mathrm{\ψdt}$

式中Rx——滚动轴飞轮转速指令； 

Ry——俯仰轴飞轮转速指令； 

Rz——偏航轴飞轮转速指令； 

Kp1——滚动轴P项反馈系数； 

Kp2——俯仰轴P项反馈系数； 

Kp3——偏航轴P项反馈系数； 

Ki1——滚动轴I项反馈系数； 

Ki2——俯仰轴I项反馈系数； 

Ki3——偏航轴I项反馈系数； 

t0——进入对地定向的起始时刻； 

t——当前时刻。

Claims (4)

1.火星探测器自主对地定向控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据地球、火星的星历计算火星对地球指向矢量，通过定义对地坐标系计算惯性坐标系到对地定向基准坐标系的转换四元数；

2)采用前馈+反馈策略的解耦控制律计算飞轮转速指令，以此进行对地定向机动控制；

3)对地机动完成后，利用星敏感器测量值计算的姿态角作为P项反馈，姿态角积分作为I项反馈，进行PI对地稳态控制；

4)设置对地定向时间限制，进行计时或者整星蓄电池电量判断，当发生超时或者能源危机时自主转回对日定向模式。

2.根据权利要求1所述的火星探测器自主对地定向控制方法，其特征在于：所述步骤1-1)中，

日心地球赤道惯性坐标系到对地定向基准坐标系的转换四元数q_rEi计算公式为：

式中：

q_rEi为对地基准四元素；

为日心惯性系到日心黄道系转换四元素；

q_rE为日心黄道系到对地基准系转换四元素。

3.根据权利要求1或2所述的火星探测器自主对地定向控制方法，其特征在于：所述步骤1-2)中对地机动过程中飞轮指令计算公式为：

式中：

是星体的角动量变化(星体初始角速度认为0)；

φ为星体绕欧拉轴的欧拉转角； 

A(q)是星体当前指向相对机动开始时刻星体指向的方向余弦阵；

I是包括飞轮在内的星体惯量矩阵；

I_w是飞轮的惯量阵；

B飞轮的指令分配矩阵(B^-1则为飞轮安装矩阵)；

Ω飞轮转速矢量。

4.根据权利要求3所述的火星探测器自主对地定向控制方法，其特征在于：所述步骤1-3)中，对地定向稳态模式下闭环控制律计算公式为：

式中Rx——滚动轴飞轮转速指令；

Ry——俯仰轴飞轮转速指令；

Rz——偏航轴飞轮转速指令；

Kp1——滚动轴P项反馈系数；

Kp2——俯仰轴P项反馈系数；

Kp3——偏航轴P项反馈系数；

Ki1——滚动轴I项反馈系数；

Ki2——俯仰轴I项反馈系数；

Ki3——偏航轴I项反馈系数；

t0——进入对地定向的起始时刻；

t——当前时刻。

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