CN104326093B - 光学成像小卫星姿态控制系统及工作模式在轨切换方法 - Google Patents
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Abstract
光学成像小卫星姿态控制系统及工作模式在轨切换方法，属于卫星姿态控制领域，本发明为解决现有光学成像卫星无法简单有效地实现在轨切换的问题。本发明所述光学成像小卫星姿态控制系统，它包括姿态测量敏感器、执行机构和姿态控制器；所述姿态测量敏感器包括太阳敏感器、星敏感器和陀螺；执行机构包括反作用飞轮和磁力矩器。本发明所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，将光学成像小卫星姿态控制系统设置为六种工作模式，分别为：速率阻尼模式、对日捕获模式、对日定向三轴稳定模式、对地定向三轴稳定模式、数传模式和安全模式。本发明用于所有的光学成像小卫星。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像小卫星姿态控制系统及工作模式在轨切换方法，属于卫星姿态控制领域。
背景技术
光学成像小卫星作为典型的对地观测卫星，具有研制周期短、发射灵活等优点，是目前国内外研究的热点。我国高分辨率对地观测系统(简称“高分专项”)是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》所确定的16个重大专项之一，于2010年经过国务院批准启动实施。2013年4月27日，首发星“高分一号”在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射。
光学成像小卫星对卫星姿态控制系统的稳定度、精度和机动能力提出了很高的要求，合理的姿态控制系统工作模式设置及其在轨切换方法是有效保证光学成像小卫星的姿态控制稳定度、精度以及机动能力的前提。
发明内容
本发明目的是为了解决现有光学成像卫星无法简单有效地实现在轨切换的问题，提供了一种光学成像小卫星姿态控制系统及工作模式在轨切换方法。
本发明所述光学成像小卫星姿态控制系统，它包括姿态测量敏感器、执行机构和姿态控制器，姿态测量敏感器测量卫星姿态的信息并将姿态信息发送至姿态控制器；姿态控制器接收姿态测量敏感器发送的姿态信息，经过计算产生控制指令，发送至执行机构；执行机构接收姿态控制器发送的控制指令，产生对应的力矩作用于卫星。
所述姿态测量敏感器包括太阳敏感器、星敏感器和陀螺；太阳敏感器用于测量卫星姿态角，星敏感器用于测量卫星姿态角，陀螺用于测量卫星姿态角速度；执行机构包括反作用飞轮和磁力矩器；反作用飞轮用于对卫星进行机动控制和三轴稳定控制；磁力矩器用于对卫星进行阻尼控制；姿态控制器采用姿态信息处理单元实现。
本发明所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，将光学成像小卫星姿态控制系统设置为六种工作模式，分别为：速率阻尼模式、对日捕获模式、对日定向三轴稳定模式、对地定向三轴稳定模式、数传模式和安全模式；
六种工作模式的在轨切换方法分别为：
速率阻尼模式的切换方法为：当卫星接收到星箭分离时分离机构发出的星箭分离信号，或姿态信息处理单元开机时间超过设定时间范围，则切换为速率阻尼模式；
对日捕获模式的切换方法为：当前模式为速率阻尼模式，且卫星姿态角速度小于设定值，且太阳敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日捕获模式。
对日定向三轴稳定模式的切换方法为：当前为对日捕获模式，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；当前为对地定向三轴稳定模式且时间超过设定时间值，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；当前为数传模式且时间超过设定时间值，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；
对地定向三轴稳定模式的切换方法为：根据地面遥控指令，切换为对地定向三轴稳定模式；
数传模式的切换方法为：根据地面遥控指令，切换为数传模式；
安全模式的切换方法为：当前为对日定向三轴稳定模式，当星敏感器数据异常或卫星蓄电池容量低于设定值，则切换为安全模式；或者根据地面遥控指令，切换为安全模式。
本发明的优点：本发明解决了现有光学成像卫星无法简单有效地实现在轨切换的问题，本发明提供了一种简单有效的卫星姿态工作模式设置及其在轨切换方法，该方法适用于所有的光学成像小卫星，用途广泛。
附图说明
图1是本发明所述光学成像小卫星姿态控制系统的结构示意图；图2是本发明所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法的流程框图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述光学成像小卫星姿态控制系统，它包括姿态测量敏感器、执行机构和姿态控制器，姿态测量敏感器测量卫星姿态的信息并将姿态信息发送至姿态控制器；姿态控制器接收姿态测量敏感器发送的姿态信息，经过计算产生控制指令，发送至执行机构；执行机构接收姿态控制器发送的控制指令，产生对应的力矩作用于卫星。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述姿态测量敏感器包括太阳敏感器、星敏感器和陀螺；太阳敏感器用于测量卫星姿态角，星敏感器用于测量卫星姿态角，陀螺用于测量卫星姿态角速度；执行机构包括反作用飞轮和磁力矩器；反作用飞轮用于对卫星进行机动控制和三轴稳定控制；磁力矩器用于对卫星进行阻尼控制；姿态控制器采用姿态信息处理单元实现。
具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述基于光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，将光学成像小卫星姿态控制系统设置为六种工作模式，分别为：速率阻尼模式、对日捕获模式、对日定向三轴稳定模式、对地定向三轴稳定模式、数传模式和安全模式；
六种工作模式的在轨切换方法分别为：
速率阻尼模式的切换方法为：当卫星接收到星箭分离时分离机构发出的星箭分离信号，或姿态信息处理单元开机时间超过设定时间范围，则切换为速率阻尼模式；
对日捕获模式的切换方法为：当前模式为速率阻尼模式，且卫星姿态角速度小于设定值，且太阳敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日捕获模式。
对日定向三轴稳定模式的切换方法为：当前为对日捕获模式，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；当前为对地定向三轴稳定模式且时间超过设定时间值，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；当前为数传模式且时间超过设定时间值，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；
对地定向三轴稳定模式的切换方法为：根据地面遥控指令，切换为对地定向三轴稳定模式；
数传模式的切换方法为：根据地面遥控指令，切换为数传模式；
安全模式的切换方法为：当前为对日定向三轴稳定模式，当星敏感器数据异常或卫星蓄电池容量低于设定值，则切换为安全模式；或者根据地面遥控指令，切换为安全模式。
具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述六种工作模式的设置方法为：
速率阻尼模式采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，通过积分计算得到姿态角，姿态控制器根据姿态角产生控制指令，执行机构接收该控制指令，执行机构磁力矩器对卫星进行阻尼控制；
对日捕获模式采用姿态测量敏感器太阳敏感器测量卫星姿态角，姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角和姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行机动直至帆板法线方向指向太阳；
对日定向三轴稳定模式采用姿态测量敏感器星敏感器测量卫星角，姿态测量敏感器陀螺测量姿态角速度，姿态控制器根据姿态角速度和姿态角产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制；
对地定向三轴稳定模式采用姿态测量敏感器星敏感器测量卫星姿态角，同时采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角和姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制；
数传模式采用姿态测量敏感器星敏感器测量卫星姿态角，同时采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角和姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制；
安全模式采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式三作进一步说明，光学成像小卫星在轨长期姿态工作模式为对日定向三轴稳定模式。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式三作进一步说明，速率阻尼模式的切换方法中所述的设定时间为7200s。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式三作进一步说明，对日捕获模式的切换方法中所述的星体角速度设定值为0.01rad/s。
具体实施方式八：本实施方式对实施方式三作进一步说明，对日定向三轴稳定模式的切换方法中所述时间的设定值均为2400s。
具体实施方式九：本实施方式对实施方式三作进一步说明，安全模式的切换方法中所述蓄电池容量的设定值为蓄电池总容量的40％。
本发明中模式切换方法中的给出的设定时间、设定值等参数可以根据不同的任务适当调整。
Claims (6)
1.基于光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，该工作模式在轨切换方法基于光学成像小卫星姿态控制系统实现，光学成像小卫星姿态控制系统包括姿态测量敏感器、执行机构和姿态控制器，姿态测量敏感器测量卫星姿态的信息并将姿态信息发送至姿态控制器；姿态控制器接收姿态测量敏感器发送的姿态信息，经过计算产生控制指令，发送至执行机构；执行机构接收姿态控制器发送的控制指令，产生对应的力矩作用于卫星；
所述姿态测量敏感器包括太阳敏感器、星敏感器和陀螺；太阳敏感器用于测量卫星姿态角，星敏感器用于测量卫星姿态角，陀螺用于测量卫星姿态角速度；执行机构包括反作用飞轮和磁力矩器；反作用飞轮用于对卫星进行机动控制和三轴稳定控制；磁力矩器用于对卫星进行阻尼控制；姿态控制器采用姿态信息处理单元实现；
其特征在于，将光学成像小卫星姿态控制系统设置为六种工作模式，分别为：速率阻尼模式、对日捕获模式、对日定向三轴稳定模式、对地定向三轴稳定模式、数传模式和安全模式；
六种工作模式的在轨切换方法分别为：
速率阻尼模式的切换方法为：当卫星接收到星箭分离时分离机构发出的星箭分离信号，或姿态信息处理单元开机时间超过设定时间范围，则切换为速率阻尼模式；
对日捕获模式的切换方法为：当前模式为速率阻尼模式，且卫星姿态角速度小于设定值，且太阳敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日捕获模式；
对日定向三轴稳定模式的切换方法为：当前为对日捕获模式，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；当前为对地定向三轴稳定模式且时间超过设定时间值，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；当前为数传模式且时间超过设定时间值，且星敏感器输出有更新且星时正确，则切换为对日定向三轴稳定模式；
对地定向三轴稳定模式的切换方法为：根据地面遥控指令，切换为对地定向三轴稳定模式；
数传模式的切换方法为：根据地面遥控指令，切换为数传模式；
安全模式的切换方法为：当前为对日定向三轴稳定模式，当星敏感器数据异常或卫星蓄电池容量低于设定值，则切换为安全模式；或者根据地面遥控指令，切换为安全模式。
2.根据权利要求1所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，其特征在于，所述六种工作模式的设置方法为：
速率阻尼模式采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，通过积分计算得到姿态角，姿态控制器根据姿态角产生控制指令，执行机构接收该控制指令，执行机构磁力矩器对卫星进行阻尼控制；
对日捕获模式采用姿态测量敏感器太阳敏感器测量卫星姿态角，姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角和姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行机动直至帆板法线方向指向太阳；
对日定向三轴稳定模式采用姿态测量敏感器星敏感器测量卫星角，姿态测量敏感器陀螺测量姿态角速度，姿态控制器根据姿态角速度和姿态角产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制；
对地定向三轴稳定模式采用姿态测量敏感器星敏感器测量卫星姿态角，同时采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角和姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制；
数传模式采用姿态测量敏感器星敏感器测量卫星姿态角，同时采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角和姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制；
安全模式采用姿态测量敏感器陀螺测量卫星姿态角速度，姿态控制器根据姿态角速度产生控制指令，执行机构反作用飞轮接收该控制指令，对卫星进行三轴稳定控制。
3.根据权利要求1所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，其特征在于，光学成像小卫星在轨长期姿态工作模式为对日定向三轴稳定模式。
4.根据权利要求1所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，其特征在于，速率阻尼模式的切换方法中所述的设定时间为7200s。
5.根据权利要求1所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，其特征在于，对日捕获模式的切换方法中星体角速度设定值为0.01rad/s。
6.根据权利要求1所述光学成像小卫星姿态控制系统的工作模式在轨切换方法，其特征在于，安全模式的切换方法中所述蓄电池容量的设定值为蓄电池总容量的40％。
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