CN112208797B - 深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统 - Google Patents

深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统，包括：步骤1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量作为目标姿态基准的+Z轴；步骤2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量，将地器矢量叉乘器日矢量，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；步骤3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。本发明二维天线的机械主轴始终保持对地，轨道变化不影响标定结果；同时帆板能够正对日，保证能源供给。

Description

深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及 系统
技术领域
本发明涉及姿态动力学技术领域，具体地，涉及一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统。
背景技术
深空探测器飞行距离远，与地面高速通信只能依靠大反射面、窄波束的高增益天线。当探测器姿态机动和轨道位置变化时，为保证高增益天线仍旧能够指向地球，使用二维机构实现天线的大角度任意指向。受空间外热流影响，机构和天线反射面会在冷热交变环境下发生变形，波束指向产生变化，需要通过器地联合标定的方式寻找天线波束主轴。在标定期间，天线二维机构进行大角度转动，探测器需保证本体系-Z轴始终指向地球，防止姿态变化对标定结果产生影响。
熊亮、王锦清、孙骥等在“深空探测器大口径天线指向在轨标定方案”(见《深空探测学报》，2018年12月，第5卷第6期，页码554-560)中，对嫦娥4号中继星的天线标定方案进行了设计，提出了利用卫星姿态机动的方式实现天线不同角度指向。卫星姿态机动目标姿态由地面计算得出并上注实施。该方法无法解决卫星轨道运动对天线指向的影响，同时由于姿态机动，帆板无法保证垂直受照，影响整星能源供给。
仲维国，崔祜涛，崔平远在“三轴稳定深空探测器的自主姿态制导”(见《宇航学报》，2006年3月，第27卷第2期，页码286-290)中，根据任务需求提出了深空探测器的自主姿态规划方法，在规划中使用了自主导航系统、星历文件、目标矢量作为输入条件，约定了各模式下空间基准定向方位。文中所列的任务模式仅适用对地通信状态，在天线标定需要二维机构大角度转动时则无法满足使用需求。
专利文献CN109039422A(申请号：201810683929.7)公开了一种深空探测高增益天线在轨定标系统及方法，提出了对地天线标定时地面站和探测器上天线指向的操作步骤，但该方法只提出了需要器上对地天线完成对地指向，未考虑探测器姿态和轨道运动时对标定的影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统。
根据本发明提供的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法，包括：
步骤1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量rep作为目标姿态基准的+Z轴；
步骤2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量rps，将地器矢量叉乘器日矢量rep×rps，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；
步骤3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。
优选的，深空探测器上的对地高增益天线安装在探测器的-Z面，设置对地姿态目标姿态基准，探测器使用飞轮控制本体使得本体系与姿态基准重合。
优选的，探测器在二维对地天线标定时，天线波束始终覆盖地球。
优选的，探测器在二维对地天线标定时，通过控制帆板驱动机构转角，将帆板正对日。
根据本发明提供的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制系统，包括：
模块M1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量rep作为目标姿态基准的+Z轴；
模块M2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量rps，将地器矢量叉乘器日矢量rep×rps，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；
模块M3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。
优选的，深空探测器上的对地高增益天线安装在探测器的-Z面，设置对地姿态目标姿态基准，探测器使用飞轮控制本体使得本体系与姿态基准重合。
优选的，探测器在二维对地天线标定时，天线波束始终覆盖地球。
优选的，探测器在二维对地天线标定时，通过控制帆板驱动机构转角，将帆板正对日。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明根据轨道数据实时计算器地和器日矢量，获得-Z对地的目标姿态，使用轮控方式使得探测器本体与该目标姿态重合，在该姿态基准下，二维天线的机械主轴始终保持对地，轨道变化不影响标定结果；同时帆板能够正对日，保证能源供给。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明对地天线标定时目标姿态示意图。
图2是本发明对地天线标定时的探测器姿态控制流程。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明提出的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法，通过约束探测器本体-Z轴指向，使得对地天线波束始终能够覆盖地球，同时根据器地矢量和器日矢量关系确定本体Y轴指向，使得帆板受照角度最优，如图1，为本发明对地天线标定时目标姿态示意图。
如图2所示，本发明的具体实施方式如下：
步骤1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量rep作为目标姿态基准的+Z轴；
深空探测器上的对地高增益天线安装在探测器的-Z面，目标姿态基准的+Z轴由地器矢量计算得出。使得探测器在二维对地天线标定时，无论探测器的空间位置如何变化，天线波束始终能够覆盖地球。
步骤2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量rps，将地器矢量叉乘器日矢量rep×rps得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；
目标姿态基准的+Y轴由地器矢量叉乘器日矢量rep×rps计算得出，使得探测器在二维对地天线标定时，通过控制帆板驱动机构转角，保证帆板正对日，不影响能源供给。
步骤3：将步骤1和步骤2得到的+Y、+Z轴叉乘得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式使得探测器本体系与目标姿态参考系重合。
由前2步确定目标姿态基准，探测器使用飞轮控制方式实现空间中本体系与目标姿态基准重合，在该模式下对地天线二维转动时，在地面观测到的波束指向只与天线驱动机构转角有关，不受探测器姿态、轨道影响。
根据本发明提供的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制系统，包括：
模块M1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量rep作为目标姿态基准的+Z轴；
模块M2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量rps，将地器矢量叉乘器日矢量rep×rps，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；
模块M3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。
优选的，深空探测器上的对地高增益天线安装在探测器的-Z面，设置对地姿态目标姿态基准，探测器使用飞轮控制本体使得本体系与姿态基准重合。
优选的，探测器在二维对地天线标定时，天线波束始终覆盖地球。
优选的，探测器在二维对地天线标定时，通过控制帆板驱动机构转角，将帆板正对日。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量rep作为目标姿态基准的+Z轴；
步骤2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量rps，将地器矢量叉乘器日矢量rep×rps，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；
步骤3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。
2.根据权利要求1所述的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法，其特征在于，深空探测器上的对地高增益天线安装在探测器的-Z面，设置对地姿态目标姿态基准，探测器使用飞轮控制本体使得本体系与姿态基准重合。
3.根据权利要求1所述的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法，其特征在于，探测器在二维对地天线标定时，天线波束始终覆盖地球。
4.根据权利要求1所述的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法，其特征在于，探测器在二维对地天线标定时，通过控制帆板驱动机构转角，将帆板正对日。
5.一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制系统，其特征在于，包括：
模块M1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量rep作为目标姿态基准的+Z轴；
模块M2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量rps，将地器矢量叉乘器日矢量rep×rps，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；
模块M3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。
6.根据权利要求5所述的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制系统，其特征在于，深空探测器上的对地高增益天线安装在探测器的-Z面，设置对地姿态目标姿态基准，探测器使用飞轮控制本体使得本体系与姿态基准重合。
7.根据权利要求5所述的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制系统，其特征在于，探测器在二维对地天线标定时，天线波束始终覆盖地球。
8.根据权利要求5所述的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制系统，其特征在于，探测器在二维对地天线标定时，通过控制帆板驱动机构转角，将帆板正对日。
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