[发明专利]一种适用于对地卫星在无陀螺条件下的轮控姿态恢复方法

说明书

本发明公开了一种适用于对地卫星在无陀螺条件下的轮控姿态恢复方法，其包含：在进入姿态恢复流程时首先对飞轮进行回零操作；使用太阳敏感器+飞轮方式进行对日定向，根据模拟式太阳敏感器测量的太阳角及角度积分信息生成飞轮角动量指令；根据滚动、偏航轴姿态偏差确定是否启用俯仰轴控制；俯仰轴采用分段控制的方法，并在无陀螺的条件下获得姿态角、角速度估值；本发明还对地影区姿态恢复方案进行了说明。本发明仅利用太阳敏感器与磁强计作为测量机构，依次进行捕获太阳、对日定向，最终实现粗对地定向，以较小的配置使卫星快速恢复到对地姿态，即使地影区也能够保证姿态粗对地定向，计算简单，易于实现。

技术领域

本发明涉及空间飞行器控制领域，具体涉及一种适用于对地卫星在无陀螺条件下的轮控姿态恢复方法。

背景技术

卫星主要通过推力器与飞轮作为执行机构进行姿态控制，推力器用于姿态建立初期大量、粗精度控制，飞轮用于长期稳态控制，具有控制精度高、不消耗燃料工质等优点。当卫星在轨由于某种故障导致姿态失稳时，需要及时对姿态进行恢复，若采用推力器进行姿态恢复需要消耗额外工质，且在故障情况下有使星体产生大角速度的风险，因此使用飞轮进行姿态恢复是一种既安全又实用的方法。

在卫星发生姿态失稳情况时，会造成帆板不对日，导致整星能源下降，因此如何用尽量少的系统配置快速恢复帆板对日姿态是首要工作，现有的姿态恢复方式有利用磁控方法进行姿态稳定，该种方式虽然功耗小但耗时长；也有利用飞轮进行姿态恢复，但使用陀螺、星敏等姿态测量机构，这种方法系统配置较多，且不适用于敏感器发生故障的情况；另外，当前的控制方法对于存在大惯量差的卫星有一定局限，尤其是对日定向后进行俯仰轴对地时，由于主惯量差较大引起的重力梯度力矩与飞轮控制能力相当，造成俯仰轴长期无法对地；另外，当前的控制方法在地影区的一般处理均是不进行控制，对于地影区较长的轨道，该处理方式在地影区会产生较大的姿态漂移，在进入光照区时很可能失去姿态基准。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于对地卫星在无陀螺条件下的轮控姿态恢复方法，考虑无陀螺测量的情况，以较小的配置使卫星快速恢复到对地姿态，即使地影区也能够保证姿态粗对地定向。

为了达到上述目的，本发明提供的一种适用于对地卫星在无陀螺条件下的轮控姿态恢复方法包含以下步骤：

(1)在卫星姿态失稳情况下，首先对所有接入系统飞轮进行回零操作，消除由于飞轮角动量交换带来的角速度变化；

(2)根据星体表面装的0-1式太阳敏感器进行捕获太阳，使太阳出现在帆板对应面；假设帆板在星体-Y面，当太阳出现在-Y方向模拟式太阳敏感器的视场后，利用模拟式太阳敏感器的输出分别对滚动轴与偏航轴进行控制，以完成对日定向；

在启动俯仰轴控制时，利用轨道信息计算太阳矢量与磁场矢量在轨道系分量，利用磁强计与太阳信号测量其在本体系分量，利用双矢量定姿算法可以计算得到卫星俯仰姿态角，对俯仰姿态角进行差分得到俯仰姿态角速度；

(3)根据俯仰角估值θ，对俯仰轴进行分段控制，角动量指令计算如下：

其中，θ₁为分段阈值，K_py和K_dy分别为俯仰轴比例、微分控制系数，为俯仰角速度估值，H_y(kT)为俯仰轴角动量控制指令，H_ymax为根据飞轮能力设置的角动量指令上限，若由非对地定向模式进入对地定向模式，对累加值进行清零；

(4)若进入地影区前处于太阳捕获阶段，则对飞轮角动量指令进行回零，待进入光照区重新进行太阳捕获；若当前处于对日定向阶段，则将飞轮角动量指令保持，待进入光照区若-Y向有太阳信号则继续对日定向，若无太阳信号则重新进行太阳捕获；若当前处于对地定向阶段，则将滚动与偏航向飞轮角动量指令保持，俯仰向继续进行控制，待进入阳照区若-Y向有太阳信号则继续对地定向，若-Y向无太阳则将俯仰方向角动量指令回零重新进行太阳捕获。