CN105667838A - 一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于皮纳卫星技术领域，公开了一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法。装置包括外壳，外壳内设置有用于测定皮纳卫星姿态的姿态敏感单元，用于根据皮纳卫星姿态发出命令信号的姿控计算机，用于执行姿控计算机发出的命令的姿态控制执行单元；方法为：卫星本体坐标系为O_bxyz，轨道坐标系O_oxyz，太阳矢量和地磁场矢量在O_oxyz中分别为S₁、S₂，在O_bxyz中分别为在姿控计算机内预存有皮纳卫星的旋转角度的设置阈值Δw，陀螺仪实时测量皮纳卫星的旋转角度w，旋转角度w大于姿控计算机内的设置阈值Δw，启动姿态消旋控制对皮纳卫星进行消旋处理，直至旋转角度w小于等于姿控计算机内的设置阈值Δw后，进入姿态确定和姿态捕获控制的循环阶段。

Description

一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法

技术领域

本发明属于皮纳卫星技术领域，特别涉及一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法。

背景技术

皮纳卫星领域飞速发展，各单位、高校争相进入皮纳卫星领域，作为一个新兴产业，它拥有广阔的市场前景。在单位企业里，微小卫星以其实现成本低，设计时间周期短等的快速响应能力应用在应急通信、空间组网等领域。在高校教育中，其低成本、高集成的特性使得皮纳卫星可以很好的融入创新与学习，对学生的发展很有帮助，所以被很多大学所重视。当下已有多所大学的小卫星发射成功。

皮纳卫星的姿态确定与控制系统(AttitudeDeterminationandControlSystem简写为ADCS)为小卫星提供姿态控制能力，它由姿态敏感器、姿态控制执行器与姿控计算机组成。姿态敏感器配合姿控计算机可以提供卫星姿态信息，通过姿控计算机对陀螺仪、卫星导航接收机(GNSS)和磁强计、太阳敏感器、星敏感器等姿态敏感器采集的信息进行处理，解算出当前卫星的姿态，为姿态控制提供保障。姿态控制执行器是姿态控制算法的执行机构，主要包括反作用飞轮、磁力矩器和微推进器等，通过姿控计算机中运行的姿态控制算法真正实现小卫星的姿态控制。姿控计算机提供姿态确定、姿态控制以及数据存储功能，皮纳卫星种类多样，外形多样，结构多样，根据用户的需求设计不同的皮纳卫星上。

现在已经研制成功并试飞成功的一些皮纳卫星，由于体积和功耗相比于100kg级小卫星又降低了1到2个数量级，所以只有很少部分拥有姿态确定与控制功能，拥有ADCS的，也都是针对自己研制的小卫星，量身定做，集成在系统内部，重新研制小卫星时需要再次研制其ADCS，没有移植性，并且无法接入其他单位制作的小卫星中。即使有可以应用在其他卫星上的ADCS，也必须是经过硬件修改之后才可以。归结就是没有通用的接口设计，或者没有自己的处理器，需要其他使用卫星的处理器，这样对星务软件的独立设计又提出了巨大要求。这些ADCS很难在着眼于皮纳卫星其他领域应用的企业和高校中推广，无法为其制造便捷的解决方案。这就使得皮纳卫星的研制周期加长，影响研究课题的进度。现在国内没有针对皮纳卫星的模块化通用ADCS产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法，该装置为模块化设计提高了其通用性。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

方案一：

一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：包括用于测定皮纳卫星姿态的姿态敏感单元，用于根据皮纳卫星姿态发出命令信号的姿控计算机，用于执行姿控计算机发出的命令的姿态控制执行单元；

所述姿态敏感单元包含用于测量皮纳卫星在惯性系下的角速度的陀螺仪，用于测量卫星本体坐标系下地磁场矢量的磁强计，用于测量卫星本体坐标系下太阳矢量的太阳敏感器，用于测量皮纳卫星的位置信息的卫星导航接收机，所述姿控计算机的四个输入端分别对应电连接所述陀螺仪的输出端、卫星导航接收机的输出端、磁强计的输出端、太阳敏感器的输出端；

所述姿态控制执行单元包含磁力矩器驱动单元，用于完成对皮纳卫星实时姿态控制的磁力矩器，所述姿控计算机的输出端电连接磁力矩器驱动单元的输入端，所述磁力矩器驱动单元的输出端电连接磁力矩器的控制端。

上述技术方案的特点和进一步改进：

进一步的，所述姿态敏感单元还包含温度传感器和模拟量电流传感器，所述温度传感器的输出端和模拟量电流传感器的输出端对应电连接所述姿控计算机的两个输入端。

进一步的，所述姿态敏感单元、姿控计算机和姿态控制执行单元设置在外壳内，所述外壳的底部设置为开口状，所述外壳的下底面设置有向外延伸的折弯面，所述折弯面上设置有多个通孔，所述外壳的侧壁上设置有供电接口。

进一步的，所述外壳内还设置有5V升压模块和3.3V稳压模块，所述供电接口与5V升压模块电连接，所述3.3V稳压模块与5V升压模块电连接。

进一步的，所述供电接口为J30J-9ZKW-J接口，所述磁力矩器为三轴磁力矩器，所述姿控计算机采用单片微型计算机。

方案二：

一种皮纳卫星的姿态确定与控制方法，基于上述皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，定义卫星本体坐标系为O_bxyz，参考坐标系为轨道坐标系O_oxyz，太阳矢量和地磁场矢量在O_oxyz中分别为S₁、S₂，太阳矢量和地磁场矢量在O_bxyz中分别为s₁ ^*、s₂ ^*；

步骤二，皮纳卫星进入任务设定轨道后，在姿控计算机内预存有皮纳卫星的旋转角度的设置阈值Δw，陀螺仪实时测量皮纳卫星的旋转角度w，旋转角度w大于姿控计算机内的设置阈值Δw，启动姿态消旋控制对皮纳卫星进行消旋处理，直至旋转角度w小于等于姿控计算机内的设置阈值Δw后，进入姿态确定和姿态捕获控制的循环阶段。

上述技术方案的特点和进一步改进：

(1)进一步的，所述消旋处理通过B-dot方法对皮纳卫星进行速率阻尼，

B-dot方法的计算式为：

$M_b=-K{\stackrel{\·}{B}}_b,$

式中，M_b为卫星输出磁矩，

K为消旋控制率，

B_b为地磁场矢量在卫星本体坐标系中的投影，通过磁强计测量得到，

为B_b的变化率，

则，磁力矩器输出消旋力矩对皮纳卫星进行消旋处理，磁力矩器输出的消旋力矩为：

(2)进一步的，所述姿态确定的过程为，

设s₃＝s₁×s₂，s₃ ^*＝s₁ ^*×s₂ ^*；令s₁、s₂、s₃三个矢量组成矩阵s的三列

S＝(S₁S₂S₃)，

令矩阵s^*为

则有:

A_o→b为轨道坐标系到本体坐标系的姿态旋转矩阵，

S、S^*不共线，矩阵S可逆，A_o→b＝S^*S^-1，

根据姿态动力学中姿态旋转矩阵A_o→b与欧拉角的转换关系反推欧拉角的值为：

式中，a₂₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中2行1列的元素，a₁₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中1行1列的元素，a₃₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行1列的元素a₃₂代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行2列的元素，a₃₃代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行3列的元素；从而完成姿态确定。

(3)进一步的，所述姿态捕获控制采用PD控制，

设期望磁控力矩T_c：

$T_c=-K_p\mathrm{\θ}-K_d\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}},$

式中：K_p为比例参数，

K_d为微分参数，

θ为余仰角，θ＝90°-δδ为卫星的赤纬；

为余仰角速度，

期望磁控力矩T_c的三轴分量为T_cx、T_cy、T_cz，将期望磁控力矩T_c的三轴分量T_cx、T_cy、T_cz大小按照顺序排列有如下六种排列方式：

T_cx＞T_cy＞T_cz、T_cx＞T_cz＞T_cy、T_cy＞T_cx＞T_cz、T_cy＞T_cz＞T_cx、T_cz＞T_cx＞T_cy、T_cz＞T_cy＞T_cx，

通过公式T_c＝cross(M,B_b)，在不同排列方式下可以分别解得一组卫星输出磁矩M(i)：

M(i)＝[m_xi、m_yi、m_zi]，

其中，i＝1、2、3、4、5、6，

m_xi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中x轴上的分量，

m_yi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中y轴上的分量，

m_zi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中z轴上的分量，

则：T_b(i)＝M(i)×B_b，

式中，T_b(i)为每一种可能性下的实际能输出的力矩；

设dis(i)＝||T_c|-|T_b(i)||，

使得dis(i)最小的卫星输出磁矩M(i)为最优卫星输出磁矩M，

则，磁力矩器输出姿态捕获控制力矩对皮纳卫星进行姿态捕获控制处理，磁力矩器输出的姿态捕获控制力矩T_b为：

T_b＝cross(M,B_b')，

其中，B_b'为卫星本体坐标系中地磁场矢量量测值。

(4)进一步的，在六种不同排列方式下，所述卫星输出磁矩M(i)的计算过程如下：

B_b的三轴分量为B_bx、B_by、B_bz，

T_cy>T_cx>T_cz时：

在|B_bx|＞|B_bz|的状态下，设m_z＝T_cy/B_bx，然后判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z且m_x＝0，若|m_z|＞m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_x＝-(T_cx-m_zB_bx)/B_bz；再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

在|B_bx|≤|B_bz|的状态下，设m_x＝-T_cy/B_bz，然后判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x且m_z＝0，若|m_x|＞m_max为是，则设m_x＝sign(m_z)m_max且m_z＝(T_cy-m_xB_bz)/B_bx，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

然后计算m_y，再判断是否|m_y|＞m_max，若|m_y|＞m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|＞m_max为否，则m_y＝m_y；

T_cz>T_cy>T_cx时：

在|B_by|>|B_bx|的状态下，设m_x＝T_cz/B_by，然后判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x且m_y＝0，若|m_x|>m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_y＝-(T_cz-m_xB_by)/B_bx；再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

在|B_by|≤|B_bx|的状态下，设m_y＝-T_cz/B_bx，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_x＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_x＝(T_cz-m_yB_bx)/B_by，再判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x；

然后计算m_z，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

T_cy>T_cz>T_cx时：

在|B_bx|＞|B_bz|的状态下，设m_z＝T_cy/B_bx，然后判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z且m_x＝0，若|m_z|＞m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_x＝-(T_cx-m_zB_bx)/B_bz；再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

在|B_bx|≤|B_bz|的状态下，设m_x＝-T_cy/B_bz，然后判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x且m_z＝0，若|m_x|＞m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_z＝(T_cy+m_xB_bz)/B_bx，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

然后计算m_y，再判断是否|m_y|＞m_max，若为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|＞m_max为否，则m_y＝m_y；

T_cz>T_cx>T_cy时：

在|B_by|>|B_bx|的状态下，设m_x＝T_cz/B_by，然后判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x且m_y＝0，若|m_x|>m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_y＝-(T_cz-m_xB_by)/B_bx；再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

在|B_by|≤|B_bx|的状态下，设m_y＝-T_cz/B_bx，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_x＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_x＝(T_cz-m_yB_bx)/B_by，再判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x；

然后计算m_z，再判断是否|m_z|＞m_max，若为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

T_cx>T_cy>T_cz时：

在|B_by|>|B_bz|的状态下，设m_y＝T_cx/B_bz，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_z＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_z＝-(T_cx-m_yB_bz)/B_by；再判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z；

在|B_by|≤|B_bz|的状态下，设m_z＝-T_cx/B_by，然后判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z且m_y＝0，若|m_z|>m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_y＝(T_cx+m_zB_by)B_bz，再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

然后计算m_x，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

T_cx>T_cz>T_cy时：

在|B_by|>|B_bz|的状态下，设m_y＝T_cx/B_bz，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_z＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_z＝-(T_cx-m_yB_bz)/B_by；再判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z；

在|B_by|≤|B_bz|的状态下，设m_z＝-T_cx/B_by，然后判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z且m_y＝0，若|m_z|>m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_y＝(T_cx+m_zB_by)/B_bz，再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

然后计算m_x，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

其中，m_max＝NIS，

式中，N表示线圈匝数，I表示线圈内通过的电流，S表示线圈围成的面积。

本发明的有益效果是：

1、高集成、模块化，可移植性：由于本模块完全封装，集成度高，为皮纳卫星提供最快速的姿态确定于控制能力，模块化、可移植，通过预留的打孔位置，可以满足很多皮纳卫星的需要。

2、在皮纳卫星系统中相对独立，仅通过供电即可完成对皮纳卫星的控制。

3、接口简单，本产品能够实时将有关姿态的控制指令与量测数据通过RS232串口传输，方便用户使用，可市场化。

4、本发明的姿态确定与控制方法针对皮纳卫星纯磁控的高非线性特点，采用了专家控制这样一种先进的解决非线性控制问题的方法。并且在5000秒内能完成皮纳卫星的姿态确定、姿态控制与姿态捕获。

附图说明

图1为本发明的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置的电气连接结构示意图；

图2为本发明的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置中的外壳的结构示意图；

图3为图2的俯视示意图；

图4为计算最优卫星输出磁矩M-best的流程图；

图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f为T_cx＞T_cy＞T_cz、T_cx＞T_cz＞T_cy、T_cy＞T_cx＞T_cz、T_cy＞T_cz＞T_cx、T_cz＞T_cx＞T_cy、T_cz＞T_cy＞T_cx六种不同排列方式下卫星输出磁矩M(i)的计算流程图；

图中：1、外壳；2、折弯面、3、供电接口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，为本发明的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置的电气连接结构示意图；该皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置包括外壳1，外壳1内设置有用于测定皮纳卫星姿态的姿态敏感单元，用于根据皮纳卫星姿态发出命令信号的姿控计算机，用于执行姿控计算机发出的命令的姿态控制执行单元。

姿态敏感单元包含用于测量皮纳卫星在惯性系下的角速度的陀螺仪，用于测量卫星本体坐标系下地磁场矢量的磁强计，用于测量卫星本体坐标系下太阳矢量的太阳敏感器，用于测量皮纳卫星的位置信息的卫星导航接收机，姿控计算机的四个输入端分别对应电连接陀螺仪的输出端、卫星导航接收机的输出端、磁强计的输出端、太阳敏感器的输出端。姿态控制执行单元包含磁力矩器驱动单元，用于完成对皮纳卫星实时姿态控制的磁力矩器，姿控计算机的输出端电连接磁力矩器驱动单元的输入端，磁力矩器驱动单元的输出端电连接磁力矩器的控制端。

参照图2、图3，为外壳的结构示意图；姿态敏感单元、姿控计算机和姿态控制执行单元设置在外壳内，将所有的器件均设置在外壳1内，达到模块化设计，使用时直接安装该模块就可以，为研发团队节省了人力物力；外壳1的底部设置为开口状，外壳1的下底面设置有向外延伸的折弯面2，折弯面2上设置有多个通孔，通孔用于通过螺钉安装该装置，方便安装，外壳1的侧壁上设置有供电接口3。

姿态敏感单元还包含温度传感器和模拟量电流传感器，温度传感器的输出端和模拟量电流传感器的输出端对应电连接姿控计算机的两个输入端。温度传感器、电流传感器为辅助敏感器，在算法中不起决定性作用，只是用来修饰数据。

磁力矩器为三轴磁力矩器。姿控计算机采用单片微型计算机。供电接口为J30J-9ZKW-J接口。

外壳1内还设置有5V升压模块和3.3V稳压模块，供电接口与5V升压模块电连接，3.3V稳压模块与5V升压模块电连接。

该皮纳卫星的姿态确定与控制装置的姿态确定与控制方法，包括以下步骤：步骤一，定义卫星本体坐标系为O_bxyz，参考坐标系为轨道坐标系O_oxyz，太阳矢量和地磁场矢量在O_oxyz中分别为S₁、S₂，太阳矢量和地磁场矢量在O_bxyz中分别为s₁ ^*、s₂ ^*。

步骤二，皮纳卫星进入任务设定轨道后，在姿控计算机内预存有皮纳卫星的旋转角度的设置阈值Δw，陀螺仪实时测量皮纳卫星的旋转角度w，旋转角度w大于姿控计算机内的设置阈值Δw，启动姿态消旋控制对皮纳卫星进行消旋处理，直至旋转角度w小于等于姿控计算机内的设置阈值Δw后，进入姿态确定和姿态捕获控制的循环阶段。

消旋处理通过B-dot方法对皮纳卫星进行速率阻尼。

B-dot方法的计算式为：

$M_b=-K{\stackrel{\·}{B}}_b,$

式中，B_b为地磁场矢量在卫星本体坐标系中的投影，通过磁强计测量得到，

为B_b的变化率，

M_b为卫星输出磁矩，

K为消旋控制率，B-dot算法控制率的取值范围很广，可以在1000-1000000范围内取值，取值大小主要影响算法收敛速度，如果控制率取值过大，产生的磁距大于线圈实际可输出的最大磁距，影响算法效率。

则，磁力矩器输出消旋力矩对皮纳卫星进行消旋处理，磁力矩器输出的消旋力矩为：

姿态确定的过程为：

设s₃＝s₁×s₂，s₃ ^*＝s₁ ^*×s₂ ^*；令s₁、s₂、s₃三个矢量组成矩阵s的三列

S＝(S₁S₂S₃)，

令矩阵s^*为

则有:

A_o→b为轨道坐标系到本体坐标系的姿态旋转矩阵，

S、S^*不共线，矩阵S可逆，A_o→b＝S^*S^-1，

根据姿态动力学中姿态旋转矩阵A_o→b与欧拉角的转换关系反推欧拉角的值为：

式中，a₂₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中2行1列的元素，a₁₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中1行1列的元素，a₃₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行1列的元素a₃₂代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行2列的元素，a₃₃代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行3列的元素；从而完成姿态确定。

姿态捕获控制采用PD控制，具体方法如下：

设期望磁控力矩T_c：

$T_c=-K_p\mathrm{\θ}-K_d\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}},$

式中：θ为余仰角，θ＝90°-δ，δ为卫星的赤纬，

为余仰角速度，

K_p为比例参数，

K_d为微分参数，PD算法中参数取值的依据是最终控制产生的磁距是否在00.2以内，同时角速度控制率和角度控制率存在比例关系，一般角速度控制率为角度控制率的10的三次方倍。

期望磁控力矩T_c的三轴分量为T_cx、T_cy、T_cz，将期望磁控力矩T_c的三轴分量T_cx、T_cy、T_cz大小按照顺序排列有如下六种排列方式：

T_cx＞T_cy＞T_cz、T_cx＞T_cz＞T_cy、T_cy＞T_cx＞T_cz、T_cy＞T_cz＞T_cx、T_cz＞T_cx＞T_cy、T_cz＞T_cy＞T_cx，

通过公式T_c＝cross(M,B_b)，在不同排列方式下可以分别解得一组卫星输出磁矩M(i)：

M(i)＝[m_xi、m_yi、m_zi]，

其中，i＝1、2、3、4、5、6，

m_xi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中x轴上的分量，

m_yi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中y轴上的分量，

m_zi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中z轴上的分量，

如图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f所示，在六种不同排列方式下，卫星输出磁矩M(i)的计算过程如下：

B_b的三轴分量为B_bx、B_by、B_bz，

T_cy>T_cx>T_cz时：

在|B_bx|＞|B_bz|的状态下，设m_z＝T_cy/B_bx，然后判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z且m_x＝0，若|m_z|＞m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_x＝-(T_cx-m_zB_bx)/B_bz；再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

在|B_bx|≤|B_bz|的状态下，设m_x＝-T_cy/B_bz，然后判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x＞m_max为否，则m_x＝m_x且m_z＝0，若|m_x|＞m_max为是，则设m_x＝sign(m_z)m_max且m_z＝(T_cy-m_xB_bz)/B_bx，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

然后计算m_y，再判断是否|m_y|＞m_max，若|m_y|＞m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|＞m_max为否，则m_y＝m_y；

T_cz>T_cy>T_cx时：

在|B_by|＞|B_bx|的状态下，设m_x＝T_cz/B_by，然后判断是否|m_x|＞|m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x且m_y＝0，若|m_x|>m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_y＝-(T_cz-m_xB_by)/B_bx；再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

在|B_by|≤|B_bx|的状态下，设m_y＝-T_cz/B_bx，然后判断是否|m_y|＞m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_x＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_x＝(T_cz-m_yB_bx)/B_by，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|mx|>m_max为否，则m_x＝m_x；

然后计算m_z，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

T_cy>T_cz>T_cx时：

在|B_bx|＞|B_bz|的状态下，设m_z＝T_cy/B_bx，然后判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z且m_x＝0，若|m_z|＞m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_x＝-(T_cx-m_zB_bx)/B_bz；再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

在|B_bx|≤|B_bz|的状态下，设m_x＝-T_cy/B_bz，然后判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x且m_z＝0，若|m_x|＞m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_z＝(T_cy+m_xB_bz)/B_bx，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

然后计算m_y，再判断是否|m_y|＞m_max，若|m_y|＞m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|＞m_max为否，则m_y＝m_y；

T_cz>T_cx>T_cy时：

在|Bb_y|>|B_bx|的状态下，设m_x＝T_cz/B_by，然后判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x且m_y＝0，若|m_x|>m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_y＝-(T_cz-m_xB_by)/B_bx；再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

在|B_by|≤|B_bx|的状态下，设m_y＝-T_cz/B_bx，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_x＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_x＝(T_cz-m_yB_bx)/B_by，再判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x；

然后计算m_z，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

T_cx>T_cy>T_cz时：

在|B_by|>|B_bz|的状态下，设m_y＝T_cx/B_bz，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_z＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_z＝-(T_cx-m_yB_bz)/B_by；再判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z；

在|B_by|≤|B_bz|的状态下，设m_z＝-T_cx/B_by，然后判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z且m_y＝0，若|m_z|>m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_y＝(T_cx+m_zB_by)/B_bz，再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

然后计算m_x，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

T_cx>T_cz>T_cy时：

在|B_by|>|B_bz|的状态下，设m_y＝T_cx/B_bz，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_z＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_z＝-(T_cx-m_yB_bz)B_by；再判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z；

在|B_by|≤|B_bz|的状态下，设m_z＝-T_cx/B_by，然后判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z且m_y＝0，若|m_z|>m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_y＝(T_cx+m_zB_by)/B_bz，再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

然后计算m_x，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

其中，m_max＝NIS，指的是线圈可以产生的最大磁矩，取决于供电电流、线圈围成的面积和线圈匝数，

式中，N表示线圈匝数，I表示线圈内通过的电流，S表示线圈围成的面积。

则：T_b(i)＝M(i)×B_b，

式中，T_b(i)为每一种可能性下的实际能输出的力矩；

设dis(i)＝||T_c|-|T_b(i)||

使得dis(i)最小的卫星输出磁矩M(i)为最优卫星输出磁矩M-best，参照图图4，则，磁力矩器输出姿态捕获控制力矩对皮纳卫星进行姿态捕获控制处理，磁力矩器输出的姿态捕获控制力矩T_b为：

T_b＝cross(M-best,B_b')

其中，B_b'为卫星本体坐标系中地磁场矢量量测值。

本发明的有益效果是：高集成、模块化，可移植性：由于本模块完全封装，集成度高，为皮纳卫星提供最快速的姿态确定于控制能力，模块化、可移植，通过预留的打孔位置，可以满足很多皮纳卫星的需要；在皮纳卫星系统中相对独立，仅通过供电即可完成对皮纳卫星的控制；接口简单，本产品能够实时将有关姿态的控制指令与量测数据通过RS232串口传输，方便用户使用，可市场化。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：包括用于测定皮纳卫星姿态的姿态敏感单元，用于根据皮纳卫星姿态发出命令信号的姿控计算机，用于执行姿控计算机发出的命令的姿态控制执行单元；

所述姿态敏感单元包含用于测量皮纳卫星在惯性系下的角速度的陀螺仪，用于测量卫星本体坐标系下地磁场矢量的磁强计，用于测量卫星本体坐标系下太阳矢量的太阳敏感器，用于测量皮纳卫星的位置信息的卫星导航接收机，所述姿控计算机的四个输入端分别对应电连接所述陀螺仪的输出端、卫星导航接收机的输出端、磁强计的输出端、太阳敏感器的输出端；

所述姿态控制执行单元包含磁力矩器驱动单元，用于完成对皮纳卫星实时姿态控制的磁力矩器，所述姿控计算机的输出端电连接磁力矩器驱动单元的输入端，所述磁力矩器驱动单元的输出端电连接磁力矩器的控制端。

2.如权利要求1所述的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：所述姿态敏感单元还包含温度传感器和模拟量电流传感器，所述温度传感器的输出端和模拟量电流传感器的输出端对应电连接所述姿控计算机的两个输入端。

3.如权利要求1或2所述的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：所述姿态敏感单元、姿控计算机和姿态控制执行单元设置在外壳(1)内，所述外壳(1)的底部设置为开口状，所述外壳(1)的下底面设置有向外延伸的折弯面(2)，所述折弯面(2)上设置有多个通孔，所述外壳(1)的侧壁上设置有供电接口(3)。

4.如权利要求3所述的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：所述外壳(1)内还设置有5V升压模块和3.3V稳压模块，所述供电接口与5V升压模块电连接，所述3.3V稳压模块与5V升压模块电连接。

5.如权利要求3所述的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：所述供电接口为J30J-9ZKW-J接口，所述磁力矩器为三轴磁力矩器；所述姿控计算机采用单片微型计算机。

6.一种皮纳卫星的姿态确定与控制方法，基于权利要求1至5所述的一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，定义卫星本体坐标系为O_bxyz，参考坐标系为轨道坐标系O_oxyz，太阳矢量和地磁场矢量在O_oxyz中分别为S₁、S₂，太阳矢量和地磁场矢量在O_bxyz中分别为s₁ ^*、s₂ ^*；

步骤二，皮纳卫星进入任务设定轨道后，在姿控计算机内预存有皮纳卫星的旋转角度的设置阈值Δw，陀螺仪实时测量皮纳卫星的旋转角度w，旋转角度w大于姿控计算机内的设置阈值Δw，启动姿态消旋控制对皮纳卫星进行消旋处理，直至旋转角度w小于等于姿控计算机内的设置阈值Δw后，进入姿态确定和姿态捕获控制的循环阶段。

7.如权利要求6所述的一种皮纳卫星的姿态确定与控制方法，其特征在于：所述消旋处理通过B-dot方法对皮纳卫星进行速率阻尼，

B-dot方法的计算式为：

$M_b=-K{\stackrel{\·}{B}}_b,$

式中，M_b为卫星输出磁矩，

K为消旋控制率，

B_b为地磁场矢量在卫星本体坐标系中的投影，通过磁强计测量得到，

为B_b的变化率，

则，磁力矩器输出消旋力矩对皮纳卫星进行消旋处理，磁力矩器输出的消旋力矩为：

8.如权利要求6所述的一种皮纳卫星的姿态确定与控制方法，其特征在于：所述姿态确定的过程为：

设s₃＝s₁×s₂，s₃ ^*＝s₁ ^*×s₂ ^*；令s₁、s₂、s₃三个矢量组成矩阵s的三列

s＝(s₁s₂s₃)，

令矩阵s^*为

则有:

A_o→b为轨道坐标系到本体坐标系的姿态旋转矩阵，

s、s^*不共线，矩阵s可逆，A_o→b＝s^*s^-1，

根据姿态动力学中姿态旋转矩阵A_o→b与欧拉角的转换关系反推欧拉角的值为：

式中，a₂₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中2行1列的元素，a₁₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中1行1列的元素，a₃₁代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行1列的元素a₃₂代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行2列的元素，a₃₃代表姿态旋转矩阵A_o→b当中3行3列的元素；从而完成姿态确定。

9.如权利要求8所述的一种皮纳卫星的姿态确定与控制方法，其特征在于：所述姿态捕获控制采用PD控制，

设期望磁控力矩T_c：

$T_c=-K_p\mathrm{\θ}-K_d\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}},$

式中：K_p为比例参数，

K_d为微分参数，

θ为余仰角，θ＝90°-δ，δ为卫星的赤纬；

为余仰角速度，

期望磁控力矩T_c的三轴分量为T_cx、T_cy、T_cz，将期望磁控力矩T_c的三轴分量T_cx、T_cy、T_cz大小按照顺序排列有如下六种排列方式：

T_cx＞T_cy＞T_cz、T_cx＞T_cz＞T_cy、T_cy＞T_cx＞T_cz、T_cy＞T_cz＞T_cx、T_cz＞T_cx＞T_cy、T_cz＞T_cy＞T_cx，

通过公式T_c＝cross(M，B_b)，在不同排列方式下可以分别解得一组卫星输出磁矩M(i)：

M(i)＝[m_xi、m_yi、m_zi]，

其中，i＝1、2、3、4、5、6，

m_xi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中x轴上的分量，

m_yi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中y轴上的分量，

m_zi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中z轴上的分量，

则：T_b(i)＝M(i)×B_b，

式中，T_b(i)为每一种可能性下的实际能输出的力矩；

设dis(i)＝||T_c|-|T_b(i)||，

使得dis(i)最小的卫星输出磁矩M(i)为最优卫星输出磁矩M，

则，磁力矩器输出姿态捕获控制力矩对皮纳卫星进行姿态捕获控制处理，磁力矩器输出的姿态捕获控制力矩T_b为：

T_b＝cross(M，B′_b)，

其中，B′_b为卫星本体坐标系中地磁场矢量量测值。

10.如权利要求9所述的一种皮纳卫星的姿态确定与控制方法，其特征在于：在六种不同排列方式下，所述卫星输出磁矩M(i)的计算过程如下：

B_b的三轴分量为B_bx、B_by、B_bz，

T_cy>T_cx>T_cz时：

在|B_bx|＞|B_bz|的状态下，设m_z＝T_cy/B_bx，然后判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z且m_x＝0，若|m_z|＞m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_x＝-(T_cx-m_zB_bx)/B_bz；再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

在|B_bx|≤|B_bz|的状态下，设m_x＝-T_cy/B_bz，然后判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x且m_z＝0，若|m_x|＞m_max为是，则设m_x＝sign(m_z)m_max且m_z＝(T_cy-m_xB_bz)/B_bx，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

然后计算m_y，再判断是否|m_y|＞m_max，若|m_y|＞m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|＞m_max为否，则m_y＝m_y；

T_cz>T_cy>T_cx时：

在|B_by|>|B_bx|的状态下，设m_x＝T_cz/B_by，然后判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x且m_y＝0，若|m_x|>m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_y＝-(T_cz-m_xB_by)/B_bx；再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

在|B_by|≤|B_bx|的状态下，设m_y＝-T_cz/B_bx，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_x＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_x＝(T_cz-m_yB_bx)/B_by，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|>m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x；

然后计算m_z，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

T_cy>T_cz>T_cx时：

在|B_bx|＞|B_bz|的状态下，设m_z＝T_cy/B_bx，然后判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z且m_x＝0，若|m_z|＞m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_x＝-(T_cx-m_zB_bx)/B_bz；再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

在|B_bx|≤|B_bz|的状态下，设m_x＝-T_cy/B_bz，然后判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x且m_z＝0，若|m_x|＞m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_z＝(T_cy+m_xB_bz)/B_bx，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

然后计算m_y，再判断是否|m_y|＞m_max，若|m_y|＞m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|＞m_max为否，则m_y＝m_y；

T_cz>T_cx>T_cy时：

在|B_by|>|B_bx|的状态下，设m_x＝T_cz/B_by，然后判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x且m_y＝0，若|m_x|>m_max为是，则设m_x＝sign(m_x)m_max且m_y＝-(T_cz-m_xB_by)/B_bx；再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

在|B_by|≤|B_bx|的状态下，设m_y＝-T_cz/B_bx，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_x＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_x＝(T_cz-m_yB_bx)/B_by，再判断是否|m_x|>m_max，若|m_x|>m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|>m_max为否，则m_x＝m_x；

然后计算m_z，再判断是否|m_z|＞m_max，若|m_z|＞m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|＞m_max为否，则m_z＝m_z；

T_cx>T_cy>T_cz时：

在|B_by|>|B_bz|的状态下，设m_y＝T_cx/B_bz，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_z＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_z＝-(T_cx-m_yB_bz)/B_by；再判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z；

在|B_by|≤|B_bz|的状态下，设m_z＝-T_cx/B_by，然后判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z且m_y＝0，若|m_z|>m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_y＝(T_cx+m_zB_by)/B_bz，再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

然后计算m_x，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

T_cx>T_cz>T_cy时：

在|B_by|>|B_bz|的状态下，设m_y＝T_cx/B_bz，然后判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y且m_z＝0，若|m_y|>m_max为是，则设m_y＝sign(m_y)m_max且m_z＝-(T_cx-m_yB_bz)/B_by；再判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为是，则m_z＝sign(m_z)m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z；

在|B_by|≤|B_bz|的状态下，设m_z＝-T_cx/B_by，然后判断是否|m_z|>m_max，若|m_z|>m_max为否，则m_z＝m_z且m_y＝0，若|m_z|>m_max为是，则设m_z＝sign(m_z)m_max且m_y＝(T_cx+m_zB_by)/B_bz，再判断是否|m_y|>m_max，若|m_y|>m_max为是，则m_y＝sign(m_y)m_max，若|m_y|>m_max为否，则m_y＝m_y；

然后计算m_x，再判断是否|m_x|＞m_max，若|m_x|＞m_max为是，则m_x＝sign(m_x)m_max，若|m_x|＞m_max为否，则m_x＝m_x；

其中，m_max＝NIS，

式中，N表示线圈匝数，I表示线圈内通过的电流，S表示线圈围成的面积。