一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103092209A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103092209103092209A(43)申请公布日2013.05.08(21)申请号201310037484.2(22)申请日2013.01.30(71)申请人北京控制工程研究所地址100080北京市海淀区北京2729信箱(72)发明人袁军王新民徐福祥柯旗张俊玲何英姿田科丰周剑敏赵性颂程莉魏懿(74)专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人安丽(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)G05B13/04(2006.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书6页说明书6页附图1页附图1页(54)发明名称一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法(57)摘要本发明涉及一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法，包括如下步骤：（1）速率阻尼；（2）恒星捕获；（3）姿态更新和星本体地磁强度计算；（4）太阳搜索和太阳定向姿态确定；（5）目标捕获姿态确定；（6）轮控调姿和磁力矩器卸载。本发明针对航天器全姿态捕获问题，提出一种工程可操作性强的、基于动量轮控制的全姿态捕获方法。CN103092209ACN10392ACN103092209A权利要求书1/1页1.一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法，其特征在于包括如下步骤：（1）速率阻尼根据陀螺测量数据预估姿态和角速度，动量轮作为执行机构，采用PD控制律，将卫星角速度阻尼到所确定的阈值；（2）恒星捕获速率阻尼完成一定时间后，所述一定时间指大于星敏感器全天区捕获时间指标，判断星敏感器数据，如果星敏感器没有识别出有效恒星，则转动星体一定角度以改变搜索天区，再判断星敏感器数据，直至完成恒星捕获，获得初始姿态，此过程动量轮作为执行机构，采用PD控制律；所述一定角度是指至少大于2倍星敏感器视场范围；（3）姿态更新和星本体地磁强度计算恒星捕获完成后，如果星敏感器数据有效，则根据双矢量几何定姿原理，由星敏感器数据直接更新卫星姿态；如果星敏感器数据无效，则根据陀螺测量数据预估姿态；根据卫星姿态和轨道，采用地磁强度拟合算法计算航天器本体地磁强度；（4）太阳搜索和太阳定向姿态确定根据太阳信息进行太阳搜索和太阳定向的姿态确定；（5）目标捕获姿态确定根据空间捕获目标、姿态和轨道信息，确定星体相对目标的姿态和角速度；（6）轮控调姿和磁力矩器卸载。采用动量轮作为执行机构完成太阳定向或目标捕获，采用PD控制律；通过角度限幅，限制星体转动角速度，避免动量轮饱和；利用星敏感器获得有效初始姿态后，采用磁力矩器进行动量轮卸载，提高动量轮吸收角动量的能力；在地磁强度和角动量偏差矢量的夹角在45-135度范围内，角动量偏差至少大于2倍动量轮角动量测量误差，进行磁卸载。2.根据权利要求1所述的基于动量轮控制的全姿态捕获方法，其特征在于：所述步骤（1）中阈值取0.1~0.3度/秒，在星敏感器的全天区捕获功能对星体角速度大小要求的80%内。3.根据权利要求1所述的基于动量轮控制的全姿态捕获方法，其特征在于：所述步骤（4）中太阳信息的获取有两种途径：一是根据星上太阳敏感器确定太阳方位；二是根据卫星姿态、轨道和太阳星历确定太阳方位。4.根据权利要求1所述的基于动量轮控制的全姿态捕获方法，其特征在于：所述步骤（2）中PD控制律的选取要考虑轮控作用后，动量轮不超过允许的角动量范围并有10%的余量。5.根据权利要求1所述的基于动量轮控制的全姿态捕获方法，其特征在于：所述步骤（6）中PD控制律的选取要考虑两种情况：一要尽量确保星体角速度在一定范围内，以利于星敏感器工作于跟踪模式；二是轮控作用后，动量轮不超过允许的角动量范围并有10%的余量。2CN103092209A说明书1/6页一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法技术领域[0001]本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法。背景技术[0002]全姿态捕获是指航天器丢失姿态基准或者需要重新定向姿态时的一种控制过程，可以使航天器对惯性定向；也可以使航天器某方向对太阳定向，保障整星能源，择机重捕地球，转回正常运行模式；或者直接转回对地定向运行模式。以往卫星全姿态捕获控制过程一般采用喷气控制方式，近年又针对小卫星开展了磁控捕获研究，而当前卫星大多配置了动量轮，利用动量轮进行全姿态捕获的研究却很少涉及。关于全姿态捕获的相关文献有：屠善澄，卫星姿态动力学与控制[M]，宇航出版社，2001：513~517，文中讨论了基于陀螺、太阳敏感器和红外地球敏感器的“太阳-地球捕获”和“地球-太阳捕获”两种全姿态捕获方式的原理和方法。钱山等，纯磁控微小卫星的姿态捕获控制研究，宇航学报，32卷（1），2011：72~80，针对纯磁控微小卫星姿态捕获问题，提出了一种基于姿