[发明专利]一种磁控小卫星的低功耗对日捕获及定向姿态控制方法

说明书

一种磁控小卫星的低功耗对日捕获及定向姿态控制方法，涉及卫星姿态控制技术领域，解决现有磁控卫星技术存在受限于磁控力矩量级较小，磁控力矩的方向受到卫星所处位置地球磁场等的限制，导致磁控力矩只能在与地球磁场方向正交的平面内产生等问题，本发明针对六面体构型小卫星，其配置每个面一个0‑1式太阳敏感器，且6个0‑1式太阳敏感器对全天球覆盖；配置数字太阳敏器一个并安装在卫星的最大对日面；配置一个磁强计；配置用于测量卫星三轴姿态角速度信息的MEMS陀螺一套；配置可控制卫星三轴的磁线圈一套。本发明设计了一种寻日控制逻辑，提出基于小卫星角速度控制闭环的控制方法，保证小卫星在阳照区任意初始姿态下均可实现最大帆板面的对日捕获。

技术领域

本发明涉及卫星姿态控制技术领域，具体涉及一种利用空间磁场及星载磁线圈，实现小卫星帆板对日捕获及定向控制，保证卫星能源供给，特别适用于小卫星能源紧张情况下的一种低耗能卫星姿态控制技术的应用。

背景技术

近些年来，由于微系统技术、微型机械和微加工技术等航天高科技的发展，使得小卫星的研制具备了“更快，更好，更省”的技术特点，其不仅可实现传统大卫星的一般功能，更可以多星组网协同工作，在现代通讯、航天、环境等众多领域展示了广阔的应用前景。

小卫星姿态控制分系统是卫星正常运行同时完成各种在轨任务的重要保障分系统之一。其中，保障星上能源系统能够正常对日充电，使得其他分系统正常工作是小卫星姿态控制分系统的最基本任务，设计高性能的姿态控制系统对于确保卫星成功应用是至关重要的。磁控技术主要利用卫星所处空间中的磁场及星载磁体实现卫星的姿态控制，该技术具有硬件结构简单、质量小、成本低和没有活动部件等特点，在各种类型小卫星姿态控制中均有着广泛的应用，如国外的OSCAR-5～OSCAR-8系列卫星中都曾使用永磁体来控制卫星的姿态，丹麦已发射的Orested卫星和美国研制NPSAT1卫星都是采用磁姿态主动控制方法，斯坦福大学的CubSat纳卫星系列多数也都是采用被动磁控或主动磁线圈控制。我国浙江大学的ZDPS-1A皮卫星及哈尔滨工业大学的紫丁香小卫星等均采用了磁控技术进行姿态控制。

利用星载磁体及星上低功耗敏感器部件，进行小卫星帆板对日充电的姿态控制，具有功耗低、可靠性高、操作简便等特点，是一种实现小卫星在轨能源保障的高效技术途径。但受限于磁控力矩量级较小，磁控力矩的方向受到卫星所处位置地球磁场等的限制，导致磁控力矩只能在与地球磁场方向正交的平面内产生。

因此，探索高效的基于磁控技术的姿态控制方法已经成为现代小卫星姿态控制系统设计的一个重要课题，其研究具有重要的理论意义和潜在的在轨应用价值。

综上，针对利用磁控技术的小卫星，基于星载各种敏感器部件，设计一种低功耗、可保证卫星帆板对日充电的姿态控制方法，是卫星姿态控制领域的一项关键技术，有待深入探讨和研究。

发明内容

本发明为解决现有磁控卫星技术存在受限于磁控力矩量级较小，磁控力矩的方向受到卫星所处位置地球磁场等的限制，导致磁控力矩只能在与地球磁场方向正交的平面内产生等问题，提供一种磁控卫星的低功耗对日捕获及定向姿态控制方法。

一种磁控卫星的低功耗对日捕获及定向姿态控制方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、根据磁强计和MEMS陀螺的测量信息，获得星体系下的磁场强度矢量和姿态角速度矢量；

步骤二、针对六面体卫星不同面是否可见太阳的情况，预先设定相应的期望姿态角速度，并根据0-1式太阳敏感器当前测量信息，获得当前时刻的期望星体角姿态速度；

步骤三、根据步骤一的获得的姿态角速度矢量和步骤二中预先设定相应的期望姿态角速度，计算当前时刻的误差姿态角速度，并设定基于所述误差姿态角速度的比例形式期望磁控力矩

步骤四、计算步骤一获得的星体系下磁场强度矢量和步骤三中所述期望磁控力矩的向量夹角；并根据向量夹角的不同值，设计期望的控制磁矩通过对所述期望的控制磁矩进行坐标转换和限幅，获得加载在磁线圈上的实际控制磁矩