[發明專利]一種基于動量輪控制的全姿態捕獲方法

有效

• 申請號: 201310037484.2
• 申請日: 2013-01-30
• 公開（公告）號: CN103092209A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 袁軍;王新民;徐福祥;柯旗;張俊玲;何英姿;田科豐;周劍敏;趙性頌;程莉;魏懿
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05B13/04
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明屬于航天器姿態控制領域，涉及一種基于動量輪控制的全姿態捕獲方法。

背景技術

全姿態捕獲是指航天器丟失姿態基準或者需要重新定向姿態時的一種控制過程，可以使航天器對慣性定向；也可以使航天器某方向對太陽定向，保障整星能源，擇機重捕地球，轉回正常運行模式；或者直接轉回對地定向運行模式。以往衛星全姿態捕獲控制過程一般采用噴氣控制方式，近年又針對小衛星開展了磁控捕獲研究，而當前衛星大多配置了動量輪，利用動量輪進行全姿態捕獲的研究卻很少涉及。關于全姿態捕獲的相關文獻有：屠善澄，衛星姿態動力學與控制[M]，宇航出版社，2001：513~517，文中討論了基于陀螺、太陽敏感器和紅外地球敏感器的“太陽-地球捕獲”和“地球-太陽捕獲”兩種全姿態捕獲方式的原理和方法。錢山等，純磁控微小衛星的姿態捕獲控制研究，宇航學報，32卷（1），2011：72~80，針對純磁控微小衛星姿態捕獲問題，提出了一種基于姿態角和姿態角速度反饋的磁矩能量控制律。耿云海等，小衛星主動磁控制地球捕獲姿態控制系統設計，航空學報，21卷（2），2000：142~145，設計了一種磁力矩器控制的磁偶極子算法，最后給出了某小衛星姿態捕獲仿真結果。

耿云海等，專利“CN201010296539基于磁力矩器和飛輪的衛星姿態全方位控制方法”，給出了一種利用磁力矩器和飛輪完成衛星入軌階段全方位姿態控制的方法，根據磁強計測量的地磁場強度向量、陀螺測量的衛星角速度設計了一種計算磁力矩器控制的磁矩向量算法，磁阻尼完成后同時引入動量輪和太陽敏感器實現對日捕獲控制。上述方法存在如下不足：僅考慮了單獨對地或對日捕獲；采用推進系統或磁力矩器進行姿態捕獲，消耗燃料或捕獲速度慢；采用太陽敏感器，存在地影區不能見太陽的問題；采用磁強計，不僅增加了硬件配置而且需要考慮磁強計和磁力矩器分時工作問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對航天器全姿態捕獲問題，提出一種工程可操作性強的、基于動量輪控制的全姿態捕獲方法。

本發明包括如下技術方案：一種基于動量輪控制的全姿態捕獲方法，包括如下步驟：

（1）速率阻尼

根據陀螺測量數據預估姿態和角速度，動量輪作為執行機構，采用PD控制律，將衛星角速度阻尼到所確定的閾值；

（2）恒星捕獲

速率阻尼完成一定時間后，所述一定時間指大于星敏感器全天區捕獲時間指標，判斷星敏感器數據，如果星敏感器沒有識別出有效恒星，則轉動星體一定角度以改變搜索天區，再判斷星敏感器數據，直至完成恒星捕獲，獲得初始姿態，此過程動量輪作為執行機構，采用PD控制律；所述一定角度是指至少大于2倍星敏感器視場范圍；

（3）姿態更新和星本體地磁強度計算

恒星捕獲完成后，如果星敏感器數據有效，則根據雙矢量幾何定姿原理，由星敏感器數據直接更新衛星姿態；如果星敏感器數據無效，則根據陀螺測量數據預估姿態；根據衛星姿態和軌道，采用地磁強度擬合算法計算航天器本體地磁強度；

（4）太陽搜索和太陽定向姿態確定

根據太陽信息進行太陽搜索和太陽定向的姿態確定；

（5）目標捕獲姿態確定

根據空間捕獲目標、姿態和軌道信息，確定星體相對目標的姿態和角速度；

（6）輪控調姿和磁力矩器卸載。

采用動量輪作為執行機構完成太陽定向或目標捕獲，采用PD控制律；通過角度限幅，限制星體轉動角速度，避免動量輪飽和；利用星敏感器獲得有效初始姿態后，采用磁力矩器進行動量輪卸載，提高動量輪吸收角動量的能力；在地磁強度和角動量偏差矢量的夾角在45-135度范圍內，角動量偏差至少大于2倍動量輪角動量測量誤差，才進行磁卸載。

所述步驟（1）中閾值的選取要考慮兩個方面：一是將星體角速度阻尼下來；二是為恒星捕獲提供條件，以滿足星敏感器的全天區捕獲功能對星體角速度大小的要求；通常取0.1~0.3度/秒，但在星敏感器的全天區捕獲功能對星體角速度大小要求的80%內。

所述步驟（4）中太陽信息的獲取有兩種途徑：一是根據星上太陽敏感器確定太陽方位；二是根據衛星姿態、軌道和太陽星歷確定太陽方位。

所述步驟（2）中PD控制律的選取要考慮輪控作用后，動量輪不超過允許的角動量范圍并有10%的余量。

所述步驟（6）中PD控制律的選取要考慮兩種情況：一要盡量確保星體角速度在一定范圍內，以利于星敏感器工作于跟蹤模式；二是輪控作用后，動量輪不超過允許的角動量范圍并有10%的余量。

本發明與現有技術相比具有如下優點：