[发明专利]基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统，包括分析姿态奇异约束、分析姿态基准确定误差约束，分析姿态机动能力约束、设置双矢量夹角限制范围。根据双矢量确定的三轴姿态变化规律，判断是否会发生姿态翻转的姿态奇异现象；根据双矢量确定的三轴姿态，通过分析姿态基准确定误差，判断天线、相机等载荷指向误差是否满足在轨要求；根据双矢量确定的三轴姿态，通过分析姿态机动能力，判断角动量和力矩是否满足需求。综合双矢量确定的姿态奇异约束、姿态基准确定误差约束和姿态机动能力约束，设置双矢量夹角限制范围。本发明解决了基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定问题，方法简单，工程上易于实现。

技术领域

本发明涉及航天器姿态控制领域，具体地，涉及一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统。

背景技术

航天器姿态控制方式有多种，常用的是三轴稳定姿态控制方式。其方法是限制两轴的指向，利用右手法则确定航天器三轴姿态，保证航天器三轴姿态稳定。

空间中任意的双矢量都可作为确定航天器三轴姿态的基准，但受能源、测控等因素影响，地心矢量、太阳矢量以及轨道面负法线矢量是常用的双矢量之一。若以地心矢量和轨道面负法线矢量作为双矢量，则双矢量的夹角固定为90°，航天器姿态奇异情况分析简单；若以地心矢量和太阳矢量作为双矢量，由于地球公转和航天器轨道运动，双矢量夹角并不固定，而是0-360°变化，很有可能发生姿态奇异现象。

一方面双矢量姿态基准确定影响天线、相机等载荷指向计算精度。确定姿态基准的精度与双矢量的夹角有直接的关系。当双矢量夹角越小时，双矢量确定精度对姿态基准确定精度影响越大。

另一方面随着航天器轨道运动，某一个矢量变化快，造成确定的姿态基准变化快，此时要求航天器能够实时姿态机动跟踪该发生变化的期望姿态。但受火箭发射能力，航天器大小等影响，航天器执行机构并不是无限配置，而是存在姿态机动能力包络，若姿态变化超出航天器姿态机动能力包络范围，航天器将跟踪不上双矢量确定的三轴姿态指向。

航天器姿态奇异现象、双矢量夹角对姿态基准确定误差的影响以及航天器在轨机动能力是不得不面对的问题，为保证航天器在轨安全运行且完成任务，必须对这些约束进行分析，提出对双矢量夹角的要求，从而根据要求制定相关的措施，保证航天器在轨安全可靠。

发明专利“大椭圆轨道姿态基准确定方法”(公开号：CN106767811A)提出了采用地心矢量和太阳矢量作为双矢量，但是没有涉及基于约束分析双矢量夹角范围。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统。

根据本发明提供的一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，包括：

姿态奇异约束分析步骤：以选定的空间中双矢量r₁(t)与r₂(t)作为姿态基准，根据设定的双矢量确定三轴姿态准则X，分析航天器三轴姿态随时间t的变化规律确定是否会发生姿态正负180°翻转的姿态奇异现象；

姿态基准确定误差约束分析步骤：根据双矢量确定三轴姿态准则X，分析双矢量的确定误差，分析误差放大倍数与双矢量夹角的关系，确定姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ₁；

姿态机动能力约束分析步骤：确定角动量对双矢量夹角的约束Γ₂₀，确定力矩对双矢量夹角的约束Γ₂₁，将约束Γ₂₀和约束Γ₂₁合成姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ₂。

双矢量夹角限制范围设置步骤：根据姿态奇异约束、姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ₁和姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ₂，设置双矢量夹角限制范围Γ。