本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種欠驅(qū)動(dòng)高速自旋衛(wèi)星建立正常姿態(tài)的方法，包括以下步驟：（1）利用姿態(tài)敏感器的輸出數(shù)據(jù)確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的自旋軸；（2）確定欠驅(qū)動(dòng)軸和正常軸；（3）對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)消旋、進(jìn)動(dòng)控制至所述陀螺退飽和；（4）所述陀螺退飽和后，對(duì)三軸角速度進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)控制；（5）確定并更新初始姿態(tài)四元數(shù)；（6）采用動(dòng)量輪進(jìn)行姿態(tài)捕獲和磁力矩器卸載，并確定衛(wèi)星姿態(tài)，將衛(wèi)星恢復(fù)至正常對(duì)地三軸穩(wěn)定姿態(tài)。本發(fā)明專利技術(shù)解決了某通道喪失噴氣控制能力的欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星恢復(fù)正常姿態(tài)的問(wèn)題。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制
，涉及一種。
技術(shù)介紹
在軌衛(wèi)星一般具有噴氣控制和基于角動(dòng)量管理裝置(如飛輪/動(dòng)量輪、控制力矩陀螺等)控制兩種方式?；诮莿?dòng)量管理裝置的控制由于受限角動(dòng)量約束，一般僅用于正常情況下的姿態(tài)控制。噴氣控制具有力矩大且無(wú)角動(dòng)量的約束，對(duì)于大的星體初始姿態(tài)角速度均可有效地阻尼下來(lái)，因此常常用于衛(wèi)星入軌階段、系統(tǒng)異常下的對(duì)日安全、以及安全模式轉(zhuǎn)正常對(duì)地等場(chǎng)合。在全驅(qū)動(dòng)控制方式下，可通過(guò)三軸解耦控制方法比較容易地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的三軸控制，因此目前在軌衛(wèi)星在三軸上均配置噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中，一旦因某種故障導(dǎo)致某一星體軸的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作時(shí)，則衛(wèi)星噴氣控制變?yōu)橐粋€(gè)欠驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題，若仍采用全驅(qū)動(dòng)控制下的常規(guī)方法則無(wú)法實(shí)現(xiàn)三軸阻尼控制，從而危及衛(wèi)星安全。為了建立高速自旋異常衛(wèi)星的正常姿態(tài)，需要進(jìn)行消旋和進(jìn)動(dòng)控制，在陀螺退飽和后，進(jìn)行速率阻尼直至完成大角度姿態(tài)捕獲建立正常姿態(tài)，這些都需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成控制驅(qū)動(dòng)° 相關(guān)文獻(xiàn)有:Ramin E 等，A Lyapunov-based fail-safe controller for anunderactuated rigid-body spacecraft, AIAA-2001-4212。劉海穎等，基于(w, z)參數(shù)化的微小衛(wèi)星噴氣欠驅(qū)動(dòng)控制，北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，34卷(2),2008:229 233。徐福祥，用地球磁場(chǎng)和重力場(chǎng)成功挽救風(fēng)云一號(hào)(B)衛(wèi)星的控制技術(shù)，宇航學(xué)報(bào)，22卷(2),2001 =Tll,利用三軸磁力矩器和三軸動(dòng)量輪等執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成了在軌搶救，屬于全驅(qū)動(dòng)控制方式。彭仁軍等，一種低軌道衛(wèi)星在軌故障搶修與恢復(fù)，航天器工程，17卷(I )，2008:24 29，利用三軸磁力矩器和噴氣推進(jìn)系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成了在軌搶救，屬于全驅(qū)動(dòng)控制方式。上述方法存在如下不足:主要基于Lyapunov穩(wěn)定性理論進(jìn)行正常姿態(tài)下的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)，而且在軌衛(wèi)星故障搶救均未涉及欠驅(qū)動(dòng)控制方法，相關(guān)研究?jī)H注重控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及收斂性，沒(méi)有兼顧控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而后者恰恰是影響工程實(shí)際應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵因素之一，如實(shí)際在軌運(yùn)行衛(wèi)星受到姿態(tài)測(cè)量量程和執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出能力的約束，一般的欠驅(qū)動(dòng)控制方法其動(dòng)態(tài)性能可能難以適應(yīng)實(shí)際工程應(yīng)用的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的技術(shù)解決問(wèn)題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種，解決了某通道喪失噴氣控制能力的欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星恢復(fù)正常姿態(tài)的問(wèn)題。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是:(I)利用姿態(tài)敏感器的輸出數(shù)據(jù)確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的自旋軸；(2)確定欠驅(qū)動(dòng)軸和正常軸；(3)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)消旋、進(jìn)動(dòng)控制至所述陀螺退飽和；(4)所述陀螺退飽和后，對(duì)三軸角速度進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)控制；(5)確定并更新初始姿態(tài)四元數(shù)；(6)采用動(dòng)量輪進(jìn)行姿態(tài)捕獲和磁力矩器卸載，并確定衛(wèi)星姿態(tài)，將衛(wèi)星恢復(fù)至正常對(duì)地三軸穩(wěn)定姿態(tài)。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)本專利技術(shù)針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星，設(shè)計(jì)了由高速自旋異常狀態(tài)恢復(fù)到正常對(duì)地姿態(tài)的方法，工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。(2)本專利技術(shù)的消旋和進(jìn)動(dòng)控制策略可適用于全驅(qū)動(dòng)控制方式和欠驅(qū)動(dòng)控制方式。(3)本專利技術(shù)利用三軸動(dòng)量輪進(jìn)行全姿態(tài)捕獲控制方式，是一種不依賴噴氣推進(jìn)系統(tǒng)的大角度姿態(tài)捕獲技術(shù)，磁力矩器卸載，利用紅外地球敏感器和數(shù)字太陽(yáng)敏感器或單獨(dú)利用星敏感器進(jìn)行姿態(tài)確定，利于工程實(shí)際應(yīng)用。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)流程圖。具體實(shí)施例方式下面就結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步介紹。如圖1所示為本專利技術(shù)流程圖，具體過(guò)程如下:(I)利用姿態(tài)敏感器確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的自旋軸在本專利技術(shù)實(shí)施例中，用于確定衛(wèi)星自旋軸的姿態(tài)敏感器可以為數(shù)字太陽(yáng)敏感器。自旋軸的確定內(nèi)容包括其方位和大小，確定的過(guò)程包括確定數(shù)據(jù)采納間隔、判斷數(shù)據(jù)有效性和確定自旋軸。確定數(shù)據(jù)采納間隔:自旋角速度較大，姿態(tài)敏感器輸出的有效數(shù)據(jù)比較稀疏，但相鄰測(cè)量結(jié)果增量變化大；自旋角速度較小，姿態(tài)敏感器輸出的有效數(shù)據(jù)比較密集，但相鄰測(cè)量結(jié)果增量變化小。如果敏感器測(cè)量精度為Om，采納數(shù)據(jù)間隔為At，則自旋軸確定誤差-offl/At,由此可見，要根據(jù)數(shù)據(jù)稀疏程度、敏感器測(cè)量精度等調(diào)整采納的數(shù)據(jù)，比如在角速度很大的搶救初期，可以根據(jù)相鄰有效數(shù)據(jù)進(jìn)行自旋軸確定；隨著消旋的持續(xù)實(shí)施，角速度逐漸降低，相鄰有效數(shù)據(jù)變化小，就需加大數(shù)據(jù)間隔選擇相應(yīng)的有效數(shù)據(jù)。判斷數(shù)據(jù)有效性:根據(jù)數(shù)據(jù)有效性標(biāo)志、相鄰周期的增量合理性和其它物理意義標(biāo)志，如數(shù)字太陽(yáng)敏感器的“見太陽(yáng)”標(biāo)志，進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性綜合判斷。確定自旋軸:設(shè)計(jì)確定自旋軸的算法，一般采用幾何法或代數(shù)法確定自旋軸相關(guān)信息，如方位(本體系和慣性系)、大小，具體確定方法可參考《屠善澄，衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制[M]，宇航出版社，2001》。(2)確定欠驅(qū)動(dòng)軸和正常軸在完成自旋軸的確定后，需要確定衛(wèi)星的欠驅(qū)動(dòng)軸和正常軸。在衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)生異常后，可以對(duì)姿態(tài)異常前的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，一般根據(jù)姿態(tài)異常前的數(shù)據(jù)確定衛(wèi)星的欠驅(qū)動(dòng)軸，主要分析控制力矩和陀螺測(cè)量的響應(yīng)是否一致。首先提取遙測(cè)的控制量和陀螺測(cè)量數(shù)據(jù)，再分析控制量和陀螺測(cè)量的響應(yīng)是否一致，即是否滿=TJJi (i=x，y, z)，其中負(fù)為由陀螺計(jì)算的角速度、Tcd為控制力矩、Ji為衛(wèi)星慣量，x、y和z分別為星體三軸。如果在星體三軸三個(gè)方向均滿足上述關(guān)系式，則衛(wèi)星屬于全驅(qū)動(dòng)控制；否則屬于欠驅(qū)動(dòng)控制，不滿足上述關(guān)系式的軸為欠驅(qū)動(dòng)軸，滿足上述關(guān)系式的軸為正常軸。(3)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)消旋、進(jìn)動(dòng)控制為了使高速自旋異常衛(wèi)星恢復(fù)至正常姿態(tài)，首先要使陀螺退飽和，這就要進(jìn)行消旋和進(jìn)動(dòng)控制。對(duì)于全驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星，消旋和進(jìn)動(dòng)控制可以采用經(jīng)典的控制理論和方法，而對(duì)于自旋軸和星體軸不一致的欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星，需要利用力矩分量進(jìn)行消旋或進(jìn)動(dòng)控制。在本實(shí)施例中，欠驅(qū)動(dòng)消旋和進(jìn)動(dòng)控制的過(guò)程如下:I)確定消旋、進(jìn)動(dòng)控制的方向和大?。?)確定各噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)和消旋、進(jìn)動(dòng)控制方向的幾何關(guān)系；3)確定進(jìn)行消旋、進(jìn)動(dòng)控制的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)；4)進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)消旋、進(jìn)動(dòng)控制。選取噴氣控制力矩在消旋、進(jìn)動(dòng)控制方向上分量最大的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為控制發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇合理的噴氣控制方案盡量避免引起章動(dòng)，消旋至陀螺退飽和的同時(shí)確保整星能源安全。(4)陀螺退飽和后，進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)三軸角速度阻尼控制消旋至陀螺退飽和后，為了保證整星安全不能無(wú)限的利用噴氣推進(jìn)系統(tǒng)繼續(xù)消旋，必須及時(shí)進(jìn)行三軸閉環(huán)控制，姿態(tài)角速度比較大，動(dòng)量輪無(wú)法接入閉環(huán)控制，速率阻尼控制只能采用欠驅(qū)動(dòng)的噴氣推進(jìn)系統(tǒng)。根據(jù)`上述欠驅(qū)動(dòng)軸和正常軸的分析結(jié)果，利用正常軸進(jìn)行星體三軸角速度阻尼，包括姿態(tài)確定和控制量計(jì)算過(guò)程。姿態(tài)確定:根據(jù)陀螺測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)估衛(wèi)星姿態(tài)和角速度?？刂屏坑?jì)算:利用兩個(gè)正常軸的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)欠驅(qū)動(dòng)控制策略，采用ro控制律，將衛(wèi)星三軸角速度阻尼到較小的閾值。閾值的選取要考慮兩個(gè)方面:1)將星體角速度阻尼下來(lái)，使星體三軸角動(dòng)量小于動(dòng)量輪允許角動(dòng)量，為后繼轉(zhuǎn)入三軸動(dòng)量輪控制創(chuàng)造條件；2)為恒星捕獲提供條件，以滿足星敏感器的全天區(qū)捕獲功能對(duì)星體角速度大小的要求(如0.15度/秒，設(shè)計(jì)依據(jù):在0.3度/秒內(nèi)星敏感器能進(jìn)行全天區(qū)識(shí)別)。(5)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)下的自主初始姿態(tài)四元數(shù)確定和更新進(jìn)行建立正常姿態(tài)過(guò)程前，需要建立初始姿態(tài)，考慮到此時(shí)衛(wèi)星一般具有大角度姿態(tài)，因此采本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種欠驅(qū)動(dòng)高速自旋衛(wèi)星建立正常姿態(tài)的方法，其特征在于，包括如下步驟：（1）利用姿態(tài)敏感器的輸出數(shù)據(jù)確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的自旋軸：根據(jù)所述姿態(tài)敏感器的測(cè)量精度和衛(wèi)星自旋角速度的變化率確定對(duì)所述輸出數(shù)據(jù)的采納間隔；根據(jù)所述采納間隔獲取所述輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有效性判斷；利用經(jīng)所述有效性判斷的輸出數(shù)據(jù)確定所述自旋軸的方位和大??；（2）確定欠驅(qū)動(dòng)軸和正常軸：若滿足則為正常軸；否則，為欠驅(qū)動(dòng)軸，其中，為由陀螺計(jì)算的角速度、Tci為控制力矩、Ji為衛(wèi)星慣量，i=x,y,z，x、y和z分別為星體三軸；（3）對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)消旋、進(jìn)動(dòng)控制至所述陀螺退飽和：確定所述消旋、進(jìn)動(dòng)控制的方向和大小；確定與所述正常軸對(duì)應(yīng)的噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)與所述消旋、進(jìn)動(dòng)控制方向的幾何關(guān)系；確定進(jìn)行消旋、進(jìn)動(dòng)控制的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行所述消旋、進(jìn)動(dòng)控制；（4）所述陀螺退飽和后，對(duì)三軸角速度進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)控制：根據(jù)所述陀螺測(cè)量獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)估衛(wèi)星姿態(tài)和角速度；利用與所述正常軸對(duì)應(yīng)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將所述三軸角速度阻尼到設(shè)定的閾值；（5）確定并更新初始姿態(tài)四元數(shù)；（6）采用動(dòng)量輪進(jìn)行姿態(tài)捕獲和磁力矩器卸載，并確定衛(wèi)星姿態(tài)，將衛(wèi)星恢復(fù)至正常對(duì)地三軸穩(wěn)定姿態(tài)。FDA00002796919000011.jpg,FDA00002796919000012.jpg...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種欠驅(qū)動(dòng)高速自旋衛(wèi)星建立正常姿態(tài)的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)利用姿態(tài)敏感器的輸出數(shù)據(jù)確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的自旋軸: 根據(jù)所述姿態(tài)敏感器的測(cè)量精度和衛(wèi)星自旋角速度的變化率確定對(duì)所述輸出數(shù)據(jù)的米納間隔； 根據(jù)所述采納間隔獲取所述輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有效性判斷； 利用經(jīng)所述有效性判斷的輸出數(shù)據(jù)確定所述自旋軸的方位和大小； (2)確定欠驅(qū)動(dòng)軸和正常軸:若滿足4Tci / J:，則為正常軸；否則,為欠驅(qū)動(dòng)軸,其中，戎為由陀螺計(jì)算的角速度、Tei為控制力矩、Ji為衛(wèi)星慣量，i=x, y, z，x、y和z分別為星體三軸； (3)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)消旋、進(jìn)動(dòng)控制至所述陀螺退飽和: 確定所述消旋、進(jìn)動(dòng)控制的方向和大??； 確定與所述正常軸對(duì)應(yīng)的噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)與所述消旋、進(jìn)動(dòng)控制方向的幾何關(guān)系； 確定進(jìn)行消旋、進(jìn)動(dòng)控制的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行所述消...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：袁軍，王新民，張慶君，徐福祥，宗紅，姚寧，周劍敏，趙性頌，雷擁軍，李明群，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京控制工程研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11
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