一種火星探測器無陀螺自主空間姿態機動控制方法技術

本發明專利技術公開一種火星探測器無陀螺自主空間姿態機動控制方法，適用于探測器不同定向目標間的姿態機動控制，不依靠陀螺數據而僅依靠星敏感器數據完成任意指向的姿態機動。探測器姿態機動前確定目標姿態四元素，使用飛輪閉環控制星體繞歐拉軸以最短路徑完成姿態機動。與現有技術相比，該方法以最小硬件配置，即星敏感器和飛輪，可以最短路徑完成任意指向的姿態機動，具有實用性。

【技術實現步驟摘要】
一種火星探測器無陀螺自主空間姿態機動控制方法
本專利技術涉及一種火星探測器姿態機動控制技術，尤其是用于火星探測器對不同定向目標間的無陀螺姿態機動控制模式中，探測器姿態機動前確定目標姿態四元素，僅依靠星敏感器測量數據，使用飛輪閉環控制星體繞歐拉軸以最短路徑完成姿態機動。
技術介紹
在執行火星探測任務時，需要對火星定向完成拍照任務，對地球定向完成數傳任務，完成太陽電池陣對日定向保證整星能源供應，各定向目標切換時可能進行任意角度的姿態機動。在進行姿態機動的控制規律時，首先要選取控制反饋量，以往衛星使用陀螺測量角速率和積分到歐拉角作為反饋輸入，如果使用陀螺積分的歐拉角進行姿態機動還需進行參考系的解算；當姿態機動的角度較大時，使用歐拉角可能會出現奇異；最重要原因還是由于飛輪的最大轉速有限，使用歐拉角進行姿態機動，更易使飛輪飽和，因此，需要研制一種無需陀螺數據的姿態機動控制技術。
技術實現思路
針對現有技術存在的不足，本專利技術要解決的技術問題是提供一種火星探測器無陀螺自主空間姿態機動控制方法，能夠完成火星探測器對任意目標的姿態機動任務，無需陀螺的角速度數據作為反饋，增加探測器姿態機動的可靠性。為解決上述技術問題，本專利技術是通過以下的技術方案實現的，一種火星探測器無陀螺自主空間姿態機動控制方法，其具體包括如下步驟：1.探測器進入姿態機動模式前，首先使用推力器將飛輪轉速卸載到200rpm內，使飛輪角動量達到姿態機動前的需要；2.探測器進入姿態機動模式后，根據目標姿態四元素和當前星體姿態四元素計算姿態機動歐拉軸和歐拉角；3.根據飛輪轉動動量和星體慣量計算姿態機動角速度，確定星體加速時間ton與整個姿態機動過程所需時間ts，這兩個時間取值的確定必須保證反作用飛輪的轉速不超過其最大轉速；4.采用前饋+反饋策略的解耦控制律，探測器姿態準確跟蹤機動規劃的角速度和控制力矩，保證了控制的精度和穩定性；本專利技術采用的方法與現有技術相比，其優點和有益效果是：該火星探測器姿態機動控制方法，無需陀螺姿態機動控制，采用星敏感器和飛輪的最小配置，實現了整個機動過程的閉環控制，整個任務均為星上自主處理：自主計算任務剖面、機動控制過程自主迭代、不依賴陀螺信息，真正實現了最短路徑的全姿態機動功能。附圖說明以下將結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步說明。圖1為本專利技術的機動示意圖；圖2為姿態機動指令時序圖。具體實施方式如圖1所示，當探測器需要姿態機動時，首先進行飛輪轉速卸載到200rpm內，使飛輪角動量達到姿態機動前的需要，之后進行姿態機動，綜合電子計算機計算出歐拉轉角和歐拉轉軸，從而實現星體從當前指向轉動到目標指向，而姿態機動所需時間的確定要根據反作用飛輪的最高轉速和所能提供的最大力矩來計算。火星探測器的大角度姿態機動控制是通過使星體繞歐拉軸進行單軸轉動實現的。得到期望的目標指向四元數qir后，再根據星敏感器的測量得到qib，可以計算出當前星體指向到期望目標指向所需要轉動的誤差四元數qe。根據計算得到的誤差四元數可以寫出與之相對應的方向余弦陣A(qrb)：根據四元數與方向余弦陣的定義，可以得到歐拉轉角φf和歐拉轉軸式中：φf為姿態機動歐拉角；qrb為姿態機動四元素；為姿態機動歐拉軸。根據上面計算就可以由當前指向繞歐拉轉軸進行一次轉動即可到達目標指向。而姿態機動所需時間的確定要根據反作用飛輪的最高轉速和所能提供的最大力矩來計算。計算反作用飛輪所能提供的最大角加速度α。tw_max是飛輪所能提供的最大力矩；B是飛輪的指令分配矩陣；I是包括飛輪在內的星體慣量矩陣；Iw是飛輪的慣量陣；是歐拉轉軸。如圖2所示，飛輪姿態機動的整個過程，需要確定兩個時間，即星體加速時間ton與整個姿態機動過程所需時間ts。這兩個時間取值的確定必須保證反作用飛輪的轉速不超過其最大轉速。通過迭代法求解其時域解，直至計算出一個保證飛輪轉速在最大轉速范圍內的有效姿態機動時間ts和星體加速時間ton。很容易求出ton與ts的關系為：對于迭代求解，最好的ts初始迭代值為：ts可以一直增加，直至飛輪達到其最大額定轉速。計算當前時刻相對于姿態機動起始時刻，星體繞歐拉軸轉過的角度為φ，則指令角速度和角度為：在進行姿態機動控制時，一般星體已處于穩態控制，星體角速度較小，忽略外干擾力矩，整個姿態機動過程中，飛輪轉速隨時間的變化可根據角動量守恒定理得到：是星體的角動量變化(星體初始角速度認為0)；φ為星體繞歐拉軸的歐拉轉角；A(q)是星體當前指向相對機動開始時刻星體指向的方向余弦陣；I是包括飛輪在內的星體慣量矩陣；Iw是飛輪的慣量陣；B飛輪的指令分配矩陣(B-1則為飛輪安裝矩陣)；Ω飛輪轉速矢量。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種火星探測器無陀螺自主空間姿態機動控制方法，其特征在于包括如下步驟：1)探測器進入姿態機動模式前，首先使用推力器將飛輪轉速卸載，使飛輪角動量達到姿態機動前的需要；2)探測器進入姿態機動模式后，根據目標姿態四元素和當前星體姿態四元素計算姿態機動歐拉軸和歐拉角；3)根據飛輪轉動動量和星體慣量計算姿態機動角速度，確定星體加速時間ton與整個姿態機動過程所需時間ts，這兩個時間取值的確定必須保證反作用飛輪的轉速不超過其最大轉速；4)采用前饋+反饋策略的解耦控制律，探測器姿態準確跟蹤機動規劃的角速度和控制力矩。

【技術特征摘要】
1.一種火星探測器無陀螺自主空間姿態機動控制方法，其特征在于包括如下步驟：1)探測器進入姿態機動模式前，首先使用推力器將飛輪轉速卸載，使飛輪角動量達到姿態機動前的需要；2)探測器進入姿態機動模式后，根據目標姿態四元素和當前星體姿態四元素計算姿態機動歐拉軸和歐拉角；3)根據飛輪轉動動量和星體慣量計算姿態機動角速度，確定星體機動加速時間ton與星體機動時間ts，這兩個時間取值的確定必須保證反作用飛輪的轉速不超過其最大轉速；確定星體機動加速時間ton與星體機動時間ts的計算公式為：對于迭代求解，最好的ts初始迭代值為：式中：ton為星體機動加速時間；ts為星體機動時間；φf為姿態機動歐拉角；α為機動角加速度；4...

【專利技術屬性】
技術研發人員：尹海寧，周連文，聶章海，杜寧，李芳華，蔡陳生，袁彥紅，
申請(專利權)人：上海航天控制工程研究所，
類型：發明
國別省市：