[发明专利]一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法

摘要

本发明属于皮纳卫星技术领域，公开了一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法。装置包括外壳，外壳内设置有用于测定皮纳卫星姿态的姿态敏感单元，用于根据皮纳卫星姿态发出命令信号的姿控计算机，用于执行姿控计算机发出的命令的姿态控制执行单元；方法为卫星本体坐标系为Obxyz，轨道坐标系Ooxyz，太阳矢量和地磁场矢量在Ooxyz中分别为S1、S2，在Obxyz中分别为在姿控计算机内预存有皮纳卫星的旋转角度的设置阈值Δw，陀螺仪实时测量皮纳卫星的旋转角度w，旋转角度w大于姿控计算机内的设置阈值Δw，启动姿态消旋控制对皮纳卫星进行消旋处理，直至旋转角度w小于等于姿控计算机内的设置阈值Δw后，进入姿态确定和姿态捕获控制的循环阶段。

主权项

一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于：包括用于测定皮纳卫星姿态的姿态敏感单元，用于根据皮纳卫星姿态发出命令信号的姿控计算机，用于执行姿控计算机发出的命令的姿态控制执行单元；所述姿态敏感单元包含用于测量皮纳卫星在惯性系下的角速度的陀螺仪，用于测量卫星本体坐标系下地磁场矢量的磁强计，用于测量卫星本体坐标系下太阳矢量的太阳敏感器，用于测量皮纳卫星的位置信息的卫星导航接收机；所述姿控计算机的四个输入端分别对应电连接所述陀螺仪的输出端、卫星导航接收机的输出端、磁强计的输出端、太阳敏感器的输出端；所述姿态控制执行单元包含磁力矩器驱动单元，用于完成对皮纳卫星实时姿态控制的磁力矩器；所述姿控计算机的输出端电连接磁力矩器驱动单元的输入端，所述磁力矩器驱动单元的输出端电连接磁力矩器的控制端；所述姿态敏感单元还包含温度传感器和模拟量电流传感器，所述温度传感器的输出端和模拟量电流传感器的输出端对应电连接所述姿控计算机的两个输入端；所述姿态敏感单元、姿控计算机和姿态控制执行单元设置在外壳(1)内，所述外壳(1)的底部设置为开口状，所述外壳(1)的下底面设置有向外延伸的折弯面(2)，所述折弯面(2)上设置有多个通孔，所述外壳(1)的侧壁上设置有供电接口(3)；所述外壳(1)内还设置有5V升压模块和3.3V稳压模块，所述供电接口与5V升压模块电连接，所述3.3V稳压模块与5V升压模块电连接；所述供电接口为J30J‑9ZKW‑J接口，所述磁力矩器为三轴磁力矩器；所述姿控计算机采用单片微型计算机；基于上述皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置的皮纳卫星姿态确定与控制方法为：包括以下步骤，步骤一，定义卫星本体坐标系为Obxyz，参考坐标系为轨道坐标系Ooxyz，太阳矢量和地磁场矢量在Ooxyz中分别为S1、S2，太阳矢量和地磁场矢量在Obxyz中分别为步骤二，皮纳卫星进入任务设定轨道后，在姿控计算机内预存有皮纳卫星的旋转角度的设置阈值Δw，陀螺仪实时测量皮纳卫星的旋转角度w，旋转角度w大于姿控计算机内的设置阈值Δw，启动姿态消旋控制对皮纳卫星进行消旋处理，直至旋转角度w小于等于姿控计算机内的设置阈值Δw后，进入姿态确定和姿态捕获控制的循环阶段；所述消旋处理通过B‑dot方法对皮纳卫星进行速率阻尼，B‑dot方法的计算式为：Mb=-KB·b,]]>式中，Mb为卫星输出磁矩，K为消旋控制率，Bb为地磁场矢量在卫星本体坐标系中的投影，通过磁强计测量得到，为Bb的变化率，则，磁力矩器输出消旋力矩对皮纳卫星进行消旋处理，磁力矩器输出的消旋力矩为：所述姿态确定的过程为：设s3＝s1×s2，令s1、s2、s3三个矢量组成矩阵s的三列S＝(S1 S2 S3)，令矩阵s*为则有:Ao→b为轨道坐标系到本体坐标系的姿态旋转矩阵，S、S*不共线，矩阵S可逆，Ao→b＝S*S‑1，根据姿态动力学中姿态旋转矩阵Ao→b与欧拉角的转换关系反推欧拉角的值为：式中，a21代表姿态旋转矩阵Ao→b当中2行1列的元素，a11代表姿态旋转矩阵Ao→b当中1行1列的元素，a31代表姿态旋转矩阵Ao→b当中3行1列的元素，a32代表姿态旋转矩阵Ao→b当中3行2列的元素，a33代表姿态旋转矩阵Ao→b当中3行3列的元素；从而完成姿态确定；所述姿态捕获控制采用PD控制，设期望磁控力矩Tc：Tc=-Kpθ-Kdθ·,]]>式中：Kp为比例参数，Kd为微分参数，θ为余仰角，θ＝90°‑δ，δ为卫星的赤纬；为余仰角速度，期望磁控力矩Tc的三轴分量为Tcx、Tcy、Tcz，将期望磁控力矩Tc的三轴分量Tcx、Tcy、Tcz大小按照顺序排列有如下六种排列方式：Tcx＞Tcy＞Tcz、Tcx＞Tcz＞Tcy、Tcy＞Tcx＞Tcz、Tcy＞Tcz＞Tcx、Tcz＞Tcx＞Tcy、Tcz＞Tcy＞Tcx，通过公式Tc＝cross(M(i),Bb)，cross表示叉乘，在不同排列方式下可以分别解得一组卫星输出磁矩M(i)：M(i)＝[mxi、myi、mzi]，其中，i＝1、2、3、4、5、6，mxi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中x轴上的分量，myi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中y轴上的分量，mzi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中z轴上的分量，则：Tb(i)＝M(i)×Bb，式中，Tb(i)为每一种可能性下的实际能输出的力矩；设dis(i)＝||Tc|‑|Tb(i)||，使得dis(i)最小的卫星输出磁矩M(i)为最优卫星输出磁矩M，则，磁力矩器输出姿态捕获控制力矩对皮纳卫星进行姿态捕获控制处理，磁力矩器输出的姿态捕获控制力矩Tb为：Tb＝cross(M,B'b)，其中，B′b为卫星本体坐标系中地磁场矢量量测值。