一種太陽敏感器故障情況下的對(duì)日定向姿態(tài)控制方法
【專利摘要】一種太陽敏感器故障情況下的對(duì)日定向姿態(tài)控制方法，利用單軸姿態(tài)測(cè)量實(shí)現(xiàn)雙軸的太陽定向穩(wěn)定控制。當(dāng)其中一個(gè)太陽敏感器發(fā)生故障失效時(shí)，可利用另外一個(gè)健康的太陽敏感器測(cè)量信息，結(jié)合陀螺角速度測(cè)量，利用觀測(cè)方程重構(gòu)故障軸上的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向時(shí)的穩(wěn)定姿態(tài)控制。本發(fā)明方法具有在太陽敏感器單軸測(cè)量故障情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)日定向的能力，在實(shí)現(xiàn)上不需要在衛(wèi)星上額外增加新的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備，只需要在星上控制計(jì)算機(jī)內(nèi)通過軟件實(shí)現(xiàn)本方法即可實(shí)現(xiàn)故障情況下的雙軸姿態(tài)控制，具有實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可用作衛(wèi)星對(duì)日定向的一種備份方式。
【專利說明】一種太陽敏感器故障情況下的對(duì)日定向姿態(tài)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間飛行器姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種空間飛行器對(duì)太陽進(jìn)行定向的控制方法。
【背景技術(shù)】 [0002]數(shù)字太陽敏感器常用作衛(wèi)星等航天器實(shí)現(xiàn)太陽捕獲和對(duì)日定向的重要部件。
[0003]為了衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)日定向姿態(tài)，在衛(wèi)星本體的-Z面上(衛(wèi)星本體坐標(biāo)系OXYZ的原點(diǎn)O在衛(wèi)星質(zhì)心，X軸指向衛(wèi)星東板，Z軸指向?qū)Φ匕?，Y軸與X軸和Z軸成右手系。-Z面為衛(wèi)星上垂直于衛(wèi)星Z軸且面向Z軸負(fù)方向的平面，-ζ面法線方向與衛(wèi)星Z軸的正方向相反)通常安裝兩臺(tái)數(shù)字太陽敏感器，兩臺(tái)數(shù)字太陽敏感器的測(cè)量夾縫分別與衛(wèi)星的X軸和Y軸平行，分別用于測(cè)量相對(duì)太陽時(shí)候的X軸和Y軸的姿態(tài)。通常情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向姿態(tài)至少需要兩個(gè)方向的姿態(tài)信息，即需要兩個(gè)正交安裝的太陽敏感器分別測(cè)量衛(wèi)星X軸和Y軸的姿態(tài)。
[0004]當(dāng)衛(wèi)星長(zhǎng)期運(yùn)行或者由于某種原因?qū)е缕渲幸粋€(gè)太陽敏感器故障時(shí)，故障軸上的姿態(tài)將會(huì)丟失，不能夠再保持對(duì)日的穩(wěn)定姿態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種太陽敏感器故障情況下，利用單軸姿態(tài)測(cè)量實(shí)現(xiàn)雙軸的太陽定向穩(wěn)定的控制方法。當(dāng)其中一個(gè)太陽敏感器發(fā)生故障失效時(shí)，可利用另外一個(gè)健康的太陽敏感器測(cè)量信息，結(jié)合陀螺角速度測(cè)量，利用觀測(cè)方程重構(gòu)故障軸上的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向穩(wěn)定姿態(tài)控制。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種太陽敏感器故障情況下的對(duì)日定向姿態(tài)控制方法，包括如下步驟:
[0007](I)在航天器的-Z面上布局兩個(gè)太陽敏感器，其中一個(gè)太陽敏感器的測(cè)量軸與衛(wèi)星本體的X軸平行，測(cè)量角為Φ，另一個(gè)太陽敏感器的測(cè)量軸與衛(wèi)星本體的Y軸平行，測(cè)量角為Θ ;
[0008](2)周期性的采集兩個(gè)太陽敏感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算mx,n=tan((K)，my,n=tan( θ n)，其中Φη, θη分別為本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量值，mx,n) my,n分別為本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切值；
[0009](3)建立觀測(cè)方程，并利用陀螺本周期的測(cè)量值，利用觀測(cè)方程預(yù)報(bào)下一周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值，
[0010]/H,,.,, I =iK, +(? -(￥κ.η +ωΑ.Α, +(￥t).^
[0011 ] mV H,, = Ihi ll + (O)y + CO fiir il + O)Jhx ilIhi ? + ω,m2v l,).At
[0012]其中m分別為本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值，初
值為0，/? 1、?+1為下一周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值，Δ t為控制周期，ωχ、coy、ωζ為本周期陀螺測(cè)量的衛(wèi)星本體三軸角速度；
[0013](4)判斷太陽敏感器的健康狀態(tài)，利用健康太陽敏感器的測(cè)量值對(duì)步驟(3)計(jì)算得到的元t進(jìn)行修正，
[0014]當(dāng)X軸太陽敏感器健康，Y軸太陽敏感器故障時(shí)，對(duì)X軸太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值進(jìn)行修正，修正方程為A.,=>K,n^KM.n，Κ.' <> ()，
[0015]當(dāng)X軸太陽敏感器故障，Y軸太陽敏感器健康時(shí),對(duì)Y軸太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值進(jìn)行修正，修正方程為+kAiK.,,，& < —K' -ω; < ()，其中Kx, Ky為修正系數(shù)；
[0016](5)更新本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值，/?,? ，/?,? ，由此計(jì)算本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量估計(jì)值
1-1an '(/? ,,)，總-1an >，其中多為X軸太陽敏感器測(cè)量估計(jì)值，§為Y軸太陽敏感器測(cè)量估計(jì)值；
[0017](6)依據(jù)太陽敏感器健康狀態(tài)和故障太陽敏感器所在軸的測(cè)量估計(jì)值重構(gòu)姿態(tài)，作為控制的輸入量；當(dāng)X軸的太陽敏感器健康而Y軸的太陽敏感器故障時(shí)，令
當(dāng)X軸的太陽敏感器故障而Y軸的太陽敏感器健康時(shí)，令φ=1'θ=θ"；當(dāng)兩軸的太陽敏感器
均健康時(shí)，令φ = φη，Θ = θ η ;當(dāng)兩軸的太陽敏感器均故障時(shí)，令φ=0，0 =0 ；
[0018](7)利用步驟(6)的計(jì)算結(jié)果Φ和Θ，計(jì)算對(duì)日定向所需的姿態(tài)控制量，控制律
H= ΚρκΨ+Κ,ι.ω,，Uy=Kpy Θ +Kdy ω y, Uz=Kdz (ω ζ- ω zb)，式中 Um, m=x, y, z 為衛(wèi)星的三軸控
制量，Kdm為角速度控制系數(shù)，(^為衛(wèi)星陀螺實(shí)測(cè)三軸角速度，cozb為衛(wèi)星Z軸目標(biāo)角速度，Kpx, Kpy分別為滾動(dòng)角和俯仰角控制系數(shù)。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明是一種在太陽敏感器故障情況下的定姿方法，通過在星上控制計(jì)算機(jī)內(nèi)建立太陽矢量在衛(wèi)星本體上的耦合運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過陀螺角速度建立預(yù)估姿態(tài)，并使用健康軸上的測(cè)量值對(duì)預(yù)估姿態(tài)進(jìn)行修正，然后基于狀態(tài)觀測(cè)器的原理觀測(cè)出故障軸上的姿態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)太陽指向的穩(wěn)定控制。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)不需要在衛(wèi)星上額外增加新的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備，只需要在星上控制計(jì)算機(jī)內(nèi)通過軟件實(shí)現(xiàn)本方法所述步驟即可實(shí)現(xiàn)故障情況下的雙軸姿態(tài)控制，具有實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可用作衛(wèi)星對(duì)日定向的一種備份方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0021]圖2為本發(fā)明方法的對(duì)日指向穩(wěn)定控制效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明方法利用某個(gè)軸上的健康太陽敏感器的測(cè)量值，通過太陽矢量在衛(wèi)星本體上的耦合關(guān)系，建立星上估計(jì)方法，通過估計(jì)方法確定故障軸上的衛(wèi)星姿態(tài)信息，從而達(dá)到雙軸對(duì)日定向穩(wěn)定控制的目的。[0023]如圖1所示，本發(fā)明方法的主要步驟如下:
[0024](I)設(shè)航天器的-Z面上布局有兩個(gè)數(shù)字太陽敏感器，其中數(shù)字太陽敏感器A的測(cè)量軸與衛(wèi)星本體的X軸平行，測(cè)量角為Φ ;數(shù)字太陽敏感器B的測(cè)量軸與衛(wèi)星本體的Y軸平行，測(cè)量角為Θ。
[0025](2)周期性的采集兩個(gè)太陽敏感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算本周期(第η個(gè)周期)的測(cè)量值正切。mx，n=tan(<i)n), my，n=tan( θ η)，其中，φη, θ η分別為本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量值，mx,n) my,n分別為本周期太陽敏感器測(cè)量角度的正切。
[0026](3)建立觀測(cè)方程，并利用陀螺本周期的測(cè)量值，利用觀測(cè)方程預(yù)報(bào)下一周期太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值。
[0027]/?,,?: I =>\, +((0,-OMhrjl +(Onix Jivm +(0,ηξΜ).Δ?
[0028]niyn+l = in,,, + (a)t + ωΛ'" ++ ωνηιΙ?).At
[0029]其中，ιΚη、分別為本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值(為已知值，在衛(wèi)星上電的時(shí)候初始化為0，以后每個(gè)周期進(jìn)行更新后保留，下個(gè)周期繼續(xù)使用)，屯,?+1、弋W為下一周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值，Δ t為控制周期，ωχ、coy、ωζ*本周期陀螺測(cè)量的衛(wèi)星本體三軸角速度。
[0030]為了保證系統(tǒng)的可觀測(cè)性，衛(wèi)星需要在Z軸保持一定的角速度。原則上只要保證Z軸角速度不為O即可保證系統(tǒng)的可觀性,角速度越大可觀性越好,但Z角速度太大容易增加衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)，因此一般取0〈 I ω ζ I〈0.5。
[0031](4)判斷太陽敏感器的健康狀態(tài)，利用健康太陽敏感器的測(cè)量值對(duì)步驟(3)計(jì)算得到的元,?+1、Am進(jìn)行修正。
[0032]當(dāng)X軸太陽敏感器健康，Y軸太陽敏感器故障時(shí)，則對(duì)X軸進(jìn)行修正，修正方程為屯"丨丨
[0033]當(dāng)X軸太陽敏感器故障，Y軸太陽敏感器健康時(shí)，則對(duì)Y軸進(jìn)行修正，修正方程為%,?+1 +Ky(my n -myn)-&t。
[0034]其中，Kx，Ky為修正系數(shù)。當(dāng)X軸太陽敏感器健康，Y軸太陽敏感器故障時(shí)的修正系數(shù)須滿足& < —K > () ?當(dāng)X軸太陽敏感器故障，Y軸太陽敏感器健康時(shí)的修正系數(shù)
須滿足A < —K' -OK < O。這里給出的修正系數(shù)條件是從閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程獲得的保證
系統(tǒng)穩(wěn)定的基本條件，只要Kx，Ky滿足條件則閉環(huán)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。
[0035]只有在健康的太陽敏感器可見的時(shí)候才進(jìn)行修正。
[0036](5)更新本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值，1Kn =Km，fK',, =K,+l，計(jì)算本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量估計(jì)值，
I =tan=Ian '(/?,.,,),其中#為X軸測(cè)量估計(jì)值、沒為Y軸測(cè)量估計(jì)值。
[0037](6)依據(jù)太陽敏感器健康狀態(tài)和故障軸測(cè)量估計(jì)值重構(gòu)姿態(tài)，作為控制的輸入量。
[0038]健康軸上的姿態(tài)采用太陽敏感器的實(shí)測(cè)姿態(tài)，故障軸上的姿態(tài)采用本周期的估計(jì)姿態(tài)。即當(dāng)X軸的太陽敏感器健康而Y軸的太陽敏感器故障時(shí)，則和泛，和含；當(dāng)X軸的太
陽敏感器故障而Y軸的太陽敏感器健康時(shí)，則當(dāng)兩軸的太陽敏感器均健康時(shí)，
則φ = φη，θ = θη;當(dāng)兩軸的太陽敏感器均故障時(shí)，則φ=ο，θ=ο。
[0039](7)計(jì)算控制量并輸出。
[0040]利用步驟(6)得到的計(jì)算結(jié)果Φ和Θ，計(jì)算姿態(tài)控制量。控制律為:U' = kP^ + ?，Uy=Kpy Θ +Kdy ω y，Uz=Kdz (ω ζ- ω zb)。其中 Um, m=x, y, ζ 為衛(wèi)星三軸控制量，
Kdffl為角速度控制系數(shù)，ωπ*衛(wèi)星陀螺實(shí)測(cè)三軸角速度，cozb為衛(wèi)星Z軸目標(biāo)角速度，Kpx，Kpy分別為滾動(dòng)和俯仰角度控制系數(shù)?？刂葡禂?shù)的選擇原則為:Kpx，Kpy，Kdm均為正常數(shù)，Kpx, Kpy的大小一般由控制精度確定，為保證衛(wèi)星有較好的阻尼特性一般`滿足Kdx>5Kpx，Kdy>5Kpy即可。
[0041]從圖2可以看出，采用本發(fā)明的方法，衛(wèi)星可以很快的實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向姿態(tài)并穩(wěn)定，即圖中所示的X軸和Y軸的姿態(tài)角很快的變?yōu)镺。
[0042]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽敏感器故障情況下的對(duì)日定向姿態(tài)控制方法，其特征在于包括如下步驟: (1)在航天器的-Z面上布局兩個(gè)太陽敏感器，其中一個(gè)太陽敏感器的測(cè)量軸與衛(wèi)星本體的X軸平行，測(cè)量角為Φ，另一個(gè)太陽敏感器的測(cè)量軸與衛(wèi)星本體的Y軸平行，測(cè)量角為Θ ; (2)周期性的采集兩個(gè)太陽敏感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算mx，n=tan(<i)n),my；n=tan( θ n),其中Φη, θη分別為本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量值，mx,n) my,n分別為本周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切值； (3)建立觀測(cè)方程，并利用陀螺本周期的測(cè)量值，利用觀測(cè)方程預(yù)報(bào)下一周期X軸和Y軸的太陽敏感器測(cè)量角度的正切估計(jì)值，
【文檔編號(hào)】B64G1/36GK103466103SQ201310372791
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】林波, 曾海波, 何英姿, 武云麗, 范煒, 沈莎莎, 劉瀟翔, 周中澤, 杜建偉, 吳小明, 劉江 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所