CN106864774A - 卫星从任意姿态到对日定向的控制方法和系统 - Google Patents

卫星从任意姿态到对日定向的控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，该控制方法包含：利用惯性基准单元测量卫星的惯性角度增量，微分后得到惯性角速度；利用0‑1式太阳敏感器测量太阳出现在星体的具体方位，进行捕获太阳，得到太阳方位信号；利用太阳方位信号的变化控制卫星姿态捕获，减小太阳矢量与星体某一轴的夹角，以此进行对日定向。本发明利用0‑1式太阳敏感器的太阳方位信息不仅可以捕获太阳，还利用其太阳方位信号的变化控制卫星对日，为整星的能源供应提供姿态保障，取得了仅用惯性基准单元和0‑1式太阳敏感器实现卫星从异常姿态到对日定向、提高卫星姿态控制精度等有益效果。

Description

卫星从任意姿态到对日定向的控制方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星姿态控制技术领域，具体涉及一种三轴稳定卫星从任意姿态到对日定向的控制方法和系统。
背景技术
三轴稳定卫星在轨运行期间可能会出现姿态失去基准的情况，此时，姿态控制系统将工作在全姿态捕获模式。全姿态捕获的基本功能就是要实现星体对太阳定向，即太阳电池阵的法向方向与太阳矢量的方向基本一致。
目前，卫星对日定向一般采用一种0-1式太阳敏感器进行捕获太阳，使太阳电池阵方向有太阳信号，但是由于这种0-1式太阳敏感器的视场比较大，一般不能满足太阳电池阵的光照条件，因此还需要用模拟式太阳敏感器(或者数字式太阳敏感器)精确测量太阳的方位，使太阳电池阵面的法向方向对准太阳。
在模拟式太阳敏感器(或者数字式太阳敏感器)不可用的情况下，为保证整星能源供应，仍然需要太阳电池阵法线方向对准太阳，因此就有了仅用0-1式太阳敏感器实现捕获太阳和对日定向的需求。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明提供一种卫星从任意姿态到对日定向的控制方法和系统，可在太阳敏感器不可用的情况下，仅用惯性基准单元和0-1式太阳敏感器实现卫星对日定向，保证卫星整星的能源供应。
为实现上述目的，本发明提供一种卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特点是，该控制方法包含：
利用惯性基准单元测量卫星的惯性角度增量，微分后得到惯性角速度；
利用0-1式太阳敏感器测量太阳出现在星体的具体方位，进行捕获太阳，得到太阳方位信号；
利用太阳方位信号的变化控制卫星姿态捕获，减小太阳矢量与星体某一轴的夹角，以此进行对日定向。
上述捕获太阳的方法包含：
根据0-1式太阳敏感器输出的太阳方位信号控制卫星绕X、Z轴转动捕获太阳，使星体-Y方向有太阳信号。
上述对日定向方法包含：
当星体仅在-Y方向有太阳信号时，控制星体X、Z轴以前一控制周期的捕获角速度方向继续转动，使星体处在对日定向状态。
上述当星体处于仅－Y方向有太阳信号状态时，继续用0-1式太阳敏感器的信息进行对日定向控制，按式(1)、(2)、(3)得到控制指令力矩：
Ty(k)＝KPy∫ωy(k)dt+KDyωy(k) (2)
Tz(k)＝KPz(∫ωz(k)dt-Ψcz)+KDzωz(k) (3)
其中，X方向捕获角度Z方向捕获角度Ψcz根据星体6个方位出现太阳信号的变化确定；Tx，Ty，Tz为控制指令力矩；KPx，KPy，KPz，KDx，KDy，KDz为控制参数；ωx，ωy,ωz为三轴惯性角速度。
上述对日定向的过程中，当处于星体±Z方向太阳出现信号未发生变化的状态时，则X方向捕获角度为0。
上述对日定向的过程中，当处于星体±Z方向从有太阳信号变为无太阳信号状态时，则确定X方向捕获角度的方法包含：
当-Y方向有太阳信号且-Z方向从有太阳信号变为无太阳信号时，X方向捕获角度为正；
当-Y方向有太阳信号且Z方向从有太阳信号变为无太阳信号时，X方向捕获角度为负；
当Z方向太阳信号不变化时，则X方向捕获角度
上述的对日定向的过程中，当处于星体±X方向从有太阳信号变为无太阳信号状态时，则确定Z方向捕获角度的方法包含：
当-Y方向有太阳信号且-X方向从有太阳信号变为无太阳信号时，Z方向捕获角度为正；
当-Y方向有太阳信号且X方向从有太阳信号变为无太阳信号时，Z方向捕获角度为负；
当X方向太阳信号不变化时，则X方向姿态捕获角度
一种卫星从任意姿态到对日定向的控制系统，其特点是，控制系统包含：
惯性角速度获取模块，其利用惯性基准单元测量卫星的惯性角度增量，微分后得到惯性角速度；
太阳捕获模块，其利用0-1式太阳敏感器测量太阳出现在星体的具体方位，进行捕获太阳，得到太阳方位信号；
对日定向模块，其利用太阳方位信号的变化控制卫星姿态捕获，减小太阳矢量与星体某一轴的夹角，以此进行对日定向。
本发明卫星从任意姿态到对日定向的控制方法和系统和现有技术相比，其优点在于，本发明利用0-1式太阳敏感器的太阳方位信息不仅可以捕获太阳，还利用其太阳方位信号的变化控制卫星对日，为整星的能源供应提供姿态保障，取得了仅用惯性基准单元和0-1式太阳敏感器实现卫星从异常姿态到对日定向、提高卫星姿态控制精度等有益效果；
本发明采用0-1式太阳敏感器简单可靠，与惯性基准单元组成的姿态测量系统实现星体对日定向，可以作为卫星姿态控制的故障预案。
附图说明
图1为本发明卫星从任意姿态到对日定向的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，三轴稳定卫星因失去姿态基准进行全姿态捕获时，首先要控制卫星的太阳电池阵对日定向。本发明公开了一种卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，该控制方法具体包含以下步骤：
S1、利用惯性基准单元测量卫星的惯性角度增量，微分后得到惯性角速度。
S2、利用0-1式太阳敏感器测量太阳出现在星体的具体方位，根据0-1式太阳敏感器输出的太阳方位信号控制卫星绕X、Z轴转动捕获太阳，使星体-Y方向有太阳信号，进行捕获太阳。
S3、利用太阳方位信号的变化控制卫星姿态捕获，减小太阳矢量与星体某一轴的夹角，以此进行对日定向。
当星体仅在-Y方向有太阳信号时，控制星体X、Z轴以前一控制周期的捕获角速度方向继续转动，使星体处在对日定向状态。
当星体处于仅－Y方向有太阳信号状态时，继续用0-1式太阳敏感器的信息进行对日定向控制，按式(1)、(2)、(3)得到控制指令力矩：
Ty(k)＝KPy∫ωy(k)dt+KDyωy(k) (2)
Tz(k)＝KPz(∫ωz(k)dt-Ψcz)+KDzωz(k) (3)
其中，X方向捕获角度Z方向捕获角度Ψcz根据星体6个方位出现太阳信号的变化确定。Tx，Ty，Tz为控制指令力矩；KPx，KPy，KPz，KDx，KDy，KDz为控制参数，ωx，ωy,ωz为三轴惯性角速度。
对于X方向：对日定向的过程中，当处于星体±Z方向太阳出现信号未发生变化的状态时，则X方向捕获角度为0，即
对日定向的过程中，当处于星体±Z方向从有太阳信号变为无太阳信号状态时，则确定X方向捕获角度的方法包含：
步骤1、当-Y方向有太阳信号且-Z方向从有太阳信号变为无太阳信号时，X方向捕获角度为正；
步骤2、当-Y方向有太阳信号且Z方向从有太阳信号变为无太阳信号时，X方向姿态捕获角度为负；
步骤3、当Z方向太阳信号不变化时，则X方向捕获角度
对于Z方向，Z方向捕获角度的确定方法与X方向类似。
对日定向的过程中，当处于星体±X方向从有太阳信号变为无太阳信号状态时，则确定Z方向捕获角度的方法包含：
当-Y方向有太阳信号且-X方向从有太阳信号变为无太阳信号时，Z方向捕获角度为正；
当-Y方向有太阳信号且X方向从有太阳信号变为无太阳信号时，Z方向捕获角度为负；
当X方向太阳信号不变化时，则X方向捕获角度
本发明还公开了一种卫星从任意姿态到对日定向的控制系统，控制系统包含：惯性角速度获取模块、太阳捕获模块，以及连接惯性角速度获取模块和太阳捕获模块输出的对日定向模块。
惯性角速度获取模块用于利用惯性基准单元测量卫星的惯性角度增量，微分后得到惯性角速度。
太阳捕获模块用于利用0-1式太阳敏感器测量太阳出现在星体的具体方位，进行捕获太阳，得到太阳方位信号。
对日定向模块用于利用太阳方位信号的变化控制卫星姿态捕获，减小太阳矢量与星体某一轴的夹角，以此进行对日定向。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特征在于，该控制方法包含：
利用惯性基准单元测量卫星的惯性角度增量，微分后得到惯性角速度；
利用0-1式太阳敏感器测量太阳出现在星体的具体方位，进行捕获太阳，得到太阳方位信号；
利用太阳方位信号的变化控制卫星姿态捕获，减小太阳矢量与星体某一轴的夹角，以此进行对日定向。
2.如权利要求1所述的卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特征在于，所述捕获太阳的方法包含：
根据0-1式太阳敏感器输出的太阳方位信号控制卫星绕X、Z轴转动捕获太阳，使星体-Y方向有太阳信号。
3.如权利要求1所述的卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特征在于，所述对日定向方法包含：
当星体仅在-Y方向有太阳信号时，控制星体X、Z轴以前一个控制周期的捕获角速度方向继续转动，使星体处在对日定向状态。
4.如权利要求3所述的卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特征在于，所述当星体处于仅－Y方向有太阳信号状态时，继续用0-1式太阳敏感器的信息进行对日定向控制，按式(1)、(2)、(3)得到控制指令力矩：
Ty(k)＝KPy∫ωy(k)dt+KDyωy(k) (2)
Tz(k)＝KPz(∫ωz(k)dt-Ψcz)+KDzωz(k) (3)
其中，X方向捕获角度Z方向捕获角度Ψcz根据星体6个方位出现太阳信号的变化确定；Tx，Ty，Tz为控制指令力矩；KPx，KPy，KPz，KDx，KDy，KDz为控制参数；ωx，ωy,ωz为三轴惯性角速度。
5.如权利要求3或4所述的卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特征在于：所述对日定向的过程中，当处于星体±Z方向太阳出现信号未发生变化的状态时，则X方向捕获角度为0。
6.如权利要求3或4所述的卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特征在于：所述对日定向的过程中，当处于星体±Z方向从有太阳信号变为无太阳信号状态时，则确定X方向捕获角度的方法包含：
当-Y方向有太阳信号且-Z方向从有太阳信号变为无太阳信号时，X方姿态捕获角度为正；
当-Y方向有太阳信号且Z方向从有太阳信号变为无太阳信号时，X方向捕获角度为负；
当Z方向太阳信号不变化时，则X方向捕获角度
7.如权利要求6所述的卫星从任意姿态到对日定向的控制方法，其特征在于：所述的对日定向的过程中，当处于星体±X方向从有太阳信号变为无太阳信号状态时，则确定Z方向捕获角度的方法包含：
当-Y方向有太阳信号且-X方向从有太阳信号变为无太阳信号时，Z方向捕获角度为正；
当-Y方向有太阳信号且X方向从有太阳信号变为无太阳信号时，Z方向捕获角度为负；
当X方向太阳信号不变化时，则X方向姿态捕获角度
8.一种卫星从任意姿态到对日定向的控制系统，其特征在于，控制系统包含：
惯性角速度获取模块，其利用惯性基准单元测量卫星的惯性角度增量，微分后得到惯性角速度；
太阳捕获模块，其利用0-1式太阳敏感器测量太阳出现在星体的具体方位，进行捕获太阳，得到太阳方位信号；
对日定向模块，其利用太阳方位信号的变化控制卫星姿态捕获，减小太阳矢量与星体某一轴的夹角，以此进行对日定向。
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