本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)控制的技術(shù)領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及一種基于地磁場檢測參數(shù)的改進(jìn)的純磁控載流子對日定向方式。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星的姿態(tài)控制是指對衛(wèi)星繞剛體施加扭矩，以保持或按須要改變其在空間定向的技術(shù)。衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)在衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行和控制過程中飾演了非常重要的角色，才能確保衛(wèi)星飛行過程中姿態(tài)的確定和調(diào)整，因而順利完成既定的飛行任務(wù)。
不同類型的衛(wèi)星對姿態(tài)控制有不同的要求，衛(wèi)星的姿態(tài)控制包括被動(dòng)姿態(tài)控制和主動(dòng)姿態(tài)控制。姿態(tài)敏感器用于檢測衛(wèi)星本體座標(biāo)系統(tǒng)相對于某一基準(zhǔn)座標(biāo)系的相對位置和角速率，以確定衛(wèi)星的姿態(tài)。衛(wèi)星系統(tǒng)還包括控制器，控制器按照衛(wèi)星的姿態(tài)和給定的要求指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則按照控制器指令形成相應(yīng)的控制轉(zhuǎn)矩進(jìn)而改變衛(wèi)星的姿態(tài)。
衛(wèi)星的對日定向?qū)τ谀茉传@取至關(guān)重要，對于低軌道衛(wèi)星而言，采用工作性能相對可靠的太陽敏感器、磁強(qiáng)計(jì)和磁扭力器實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的對日定向關(guān)系到衛(wèi)星的生命安全。考慮到磁控作用總是垂直于當(dāng)?shù)卮帕€方向，純磁控衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定實(shí)際上是欠驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)。當(dāng)前比較有效的方式是采用載流子穩(wěn)定的方式可以實(shí)現(xiàn)星系(太陽劃艇)指向的穩(wěn)態(tài)地日。并且，該方案存在一個(gè)重大缺陷，在個(gè)別情況下將難以產(chǎn)生磁控對日，甚至?xí)?shí)現(xiàn)反向?qū)θ眨刺杽澩У姆疵娉蛱枴?span style="display:none">mSo物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明僅采用太陽敏感器、磁強(qiáng)計(jì)和磁扭力器實(shí)現(xiàn)星系太陽劃艇對日定向的姿態(tài)控制。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種純磁控載流子對日定向方式磁力矩器，包括：
按照地磁矢量和太陽矢量確定星系角速率；
按照估算得到的恒星角速率，判定是否須要進(jìn)行恒星速度減振；
若果不須要進(jìn)行恒星速度減振，則按照太陽矢量sb與恒星指定面法向矢量vs，確定太陽角ε，并確定期望控制轉(zhuǎn)矩中第一項(xiàng)：
按照地磁矢量檢測結(jié)果，確定期望控制轉(zhuǎn)矩第二項(xiàng)：
t2＝k2·(bb-×bb)；
期望控制轉(zhuǎn)矩第三項(xiàng)按下式確定：
t3＝k3·(ωbi-ω)；
期望控制轉(zhuǎn)矩為：
其中vs為指定的星系面法向矢量，sb為測得的太陽矢量，ε為太陽角，ωbi為慣性系下的角速率矢量，由定姿單機(jī)所確定的姿態(tài)信息差分而得，ω為期望的角速率矢量，k1、k2和k3分別為對應(yīng)于三個(gè)轉(zhuǎn)矩項(xiàng)的系數(shù)，bb表示當(dāng)前拍的地磁場硬度，bb-表示前一拍的地磁場硬度。
按照期望控制轉(zhuǎn)矩反算磁扭力器對應(yīng)的期望輸出磁矩：
其中，m為期望輸出磁矩。
在本發(fā)明的一個(gè)施行例中，假如須要進(jìn)行恒星速度減振，則確定地磁矢量變化率為：
其中，
表示當(dāng)前拍的地磁場矢量變化率，bb表示當(dāng)前拍的地磁場硬度，bb-表示前一拍的地磁場硬度，δt表示姿態(tài)控制周期；
確定磁扭力器期望的輸出磁矩：
其中mx，my，mz分別為磁矩矢量m的三個(gè)份量，分別對應(yīng)三個(gè)磁扭力器的期望輸出；mmax為磁扭力器的最大輸出磁矩，系數(shù)0.5表示磁扭力器工作的信噪比。
在本發(fā)明的一個(gè)施行例中，當(dāng)前拍的地磁場硬度和前一拍的地磁場硬度通過磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行檢測來獲取。
在本發(fā)明的一個(gè)施行例中，判定是否須要進(jìn)行恒星速度減振包括判定恒星角速率的范數(shù)是否小于閥值。
在本發(fā)明的一個(gè)施行例中，假如恒星角速率的范數(shù)是小于閥值，則須要進(jìn)行恒星速度減振，否則不須要進(jìn)行恒星速度減振。
在本發(fā)明的一個(gè)施行例中，按照地磁矢量和太陽矢量確定恒星角速率包括：
按照雙矢量定姿方案確定星系姿態(tài)矩陣；
按照姿態(tài)矩陣確定星系三軸姿態(tài)四元數(shù)q＝[q1,q2,q3,q4]t；以及
按照前后兩拍姿態(tài)信息確定星系角速率。
在本發(fā)明的一個(gè)施行例中，所述恒星角速率為：
其中，qk+1，qk為相鄰兩次輸出的四元數(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)施行例中，基于磁測磁控的衛(wèi)星載流子定向方式還包括：
依據(jù)所確定的磁扭力器的輸出磁矩，驅(qū)動(dòng)磁扭力器工作。
在僅用太陽敏感器和磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行檢測且僅用磁扭力器進(jìn)行控制的情況下，應(yīng)用本發(fā)明可對載流子對日定向方案進(jìn)行構(gòu)建，保證控制系統(tǒng)可在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對日定向。該發(fā)明無須配置其它敏感單元或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)全天域、全狀態(tài)下的磁控載流子對日定向。
附圖說明
為了進(jìn)一步闡述本發(fā)明的各施行例的以上和其它優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，將參考附圖來呈現(xiàn)本發(fā)明的各施行例的更具體的描述。可以理解，這種附圖只描畫本發(fā)明的典型施行例，因而將不被覺得是對其范圍的限制。在附圖中，為了清楚明了，相同或相應(yīng)的部件將用相同或類似的標(biāo)記表示。
圖1示出修正的磁控對日載流子定向控制流程圖。
圖2示出既有方案中航天器磁控對日過程中星體角速率變化曲線。
圖3示出既有方案中航天器磁控對日過程中星體角速度變化曲線。
圖4示出既有方案中航天器磁控對日過程中太陽角變化曲線。
圖5示出改進(jìn)方案中航天器磁控對日過程中星體角速率變化曲線。
圖6示出改進(jìn)方案中航天器磁控對日過程中星體角速度變化曲線。
圖7示出改進(jìn)方案中航天器磁控對日過程中太陽角變化曲線。
具體施行方法
在以下的描述中，參考各施行例對本發(fā)明進(jìn)行描述。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到可在沒有一個(gè)或多個(gè)特定細(xì)節(jié)的情況下或則與其它替換和/或附加方式、材料或組件一起施行各施行例。在其它情形中，未示出或未詳盡描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以免使本發(fā)明的各施行例的諸方面冗長。類似地，為了解釋的目的，探討了特定數(shù)目、材料和配置，便于提供對本發(fā)明的施行例的全面理解。但是，本發(fā)明可在沒有特定細(xì)節(jié)的情況下施行。據(jù)悉，應(yīng)理解附圖中示出的各施行例是說明性表示且不一定按比列勾畫。
在本說明書中，對“一個(gè)施行例”或“該施行例”的引用意味著結(jié)合該施行例描述的特定特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)被包括在本發(fā)明的起碼一個(gè)施行例中。在本說明書各處中出現(xiàn)的句子“在一個(gè)施行例中”并不一定全部指代同一施行例。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是對既有的、僅用太陽敏感器和磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行檢測和僅用磁扭力器進(jìn)行恒星對日定向控制的方案進(jìn)行適應(yīng)性修正，實(shí)現(xiàn)全天域、全狀態(tài)的磁控載流子對日穩(wěn)定。本發(fā)明提出一種有效的控制修正方式，不同于既有技巧中采用太陽矢量的叉乘積作為減振項(xiàng)，該方式采用地磁矢量的叉乘積作為期望控制轉(zhuǎn)矩中的減振項(xiàng)，可有效實(shí)現(xiàn)太陽角的比列微分pd控制，且在任何情況下均無須進(jìn)行修正。
既有磁控載流子對日定向方式描述如下：
在恒星角速率較小的情況下，磁控對日指向所對應(yīng)的期望控制轉(zhuǎn)矩采用下式給定：
上式[1]中，vs為指定的恒星面法向矢量，sb與sbdot為測得的太陽矢量及其變化率，公式中sb上加一點(diǎn)，即為此處sbdot，以下類似；ε為太陽角，ωbi為慣性系下的角速率矢量，可由定姿單機(jī)所確定的姿態(tài)信息差分而得，ω為期望的角速率矢量，k1、k2和k3分別為對應(yīng)于三個(gè)轉(zhuǎn)矩項(xiàng)的系數(shù)。第三項(xiàng)系數(shù)k3在太陽角較大時(shí)(如磁力矩器，小于45°時(shí))置0。
本發(fā)明提出一種針對性的改進(jìn)方案：期望控制轉(zhuǎn)矩第一項(xiàng)和第三項(xiàng)不做任何改動(dòng)；期望控制轉(zhuǎn)矩第二項(xiàng)采用前后兩拍測定的地磁矢量的叉乘積進(jìn)行確定。
修正的控制轉(zhuǎn)矩給定為：
下邊結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳盡說明。
如圖1所示，為改進(jìn)后的磁控載流子對日定向控制控制流程圖，由圖可知，全天域、全狀態(tài)下的磁控載流子對日定向控制可通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：
步驟1、根據(jù)地磁矢量和太陽矢量確定恒星角速率：
首先按照雙矢量定姿方案確定恒星姿態(tài)矩陣，然后按照姿態(tài)矩陣cob可以確定恒星三軸姿態(tài)四元數(shù)q＝[q1,q2,q3,q4]t。最后依照前后兩拍姿態(tài)信息確定恒星角速率：
其中，qk+1，qk為相鄰兩次輸出的四元數(shù)，矩陣g(q)可寫為：
步驟2、根據(jù)估算得到的恒星角速率，判定是否須要減振。若滿足：
||ωbi||＞ω[5]
則應(yīng)首先進(jìn)行恒星速度減振。首先按照磁強(qiáng)計(jì)當(dāng)前拍輸出bb，確定當(dāng)前拍地磁場變化率矢量：
其次按照bdot減振算法確定磁扭力器期望的輸出磁矩：
并執(zhí)行步驟7；否則，執(zhí)行步驟3。
式[7]中，mx，my，mz分別為磁矩矢量m的三個(gè)份量，分別對應(yīng)三個(gè)磁扭力器的期望輸出；mmax為磁扭力器的最大輸出磁矩，系數(shù)0.5表示磁扭力器工作的信噪比。
步驟3、根據(jù)太陽矢量sb與星系指定面法向矢量vs，確定太陽角ε，并確定期望控制轉(zhuǎn)矩中第一項(xiàng)：
步驟4、根據(jù)地磁矢量檢測結(jié)果，確定期望控制轉(zhuǎn)矩第二項(xiàng)：
t2＝k2·(bb-×bb)[9]
步驟5、期望控制轉(zhuǎn)矩第三項(xiàng)按下式確定：
t3＝k3·(ωbi-ω)[10]
其中，ω為指定的恒星載流子角速率矢量。
步驟6、根據(jù)期望控制轉(zhuǎn)矩反算磁扭力器對應(yīng)的期望輸出磁矩
其中，m為期望輸出磁矩，bb為星體系下地磁矢量。
步驟7、根據(jù)期望輸出磁矩，驅(qū)動(dòng)磁扭力器工作，進(jìn)行姿態(tài)控制。在必要的情況下，可依照磁扭力器能力對期望輸出磁矩進(jìn)行限幅處理。
以下通過數(shù)值仿真進(jìn)行驗(yàn)證：
(1)設(shè)航天器初始角速率為：
偏航角速率：1/s
俯仰角速率：4°/s
滾轉(zhuǎn)角速率：1/s
(2)期望載流子角速率為：[0-20]°/s
(3)航天器初始姿態(tài)為：
偏航角：0
俯仰角：0
滾轉(zhuǎn)角：0
(4)航天器力矩參數(shù)為：
轉(zhuǎn)動(dòng)力矩ixx：0.5kg·m2
轉(zhuǎn)動(dòng)力矩ixx：0.5kg·m2
轉(zhuǎn)動(dòng)力矩ixx：0.5kg·m2
力矩積ixy：0.01kg·m2
力矩積ixz：0.01kg·m2
力矩積iyz：-0.01kg·m2
(5)航天器軌道參數(shù)為：
高度為500km的晨昏軌道
(6)航天器太陽劃艇朝向：
太陽劃艇平面與恒星—y面平行。
(7)航天器磁控參數(shù)為：
x向磁扭力器最大輸出磁矩：3a·m2
y向磁扭力器最大輸出磁矩：3a·m2
z向磁扭力器最大輸出磁矩：3a·m2
x向磁扭力器最小輸出磁矩：0.015a·m2
y向磁扭力器最小輸出磁矩：0.015a·m2
z向磁扭力器最小輸出磁矩：0.015a·m2
減振控制周期：1s
減振控制轉(zhuǎn)矩：0.5
圖2至圖4為既有方案的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明：在一定初始條件下，即使算法可以保證星系載流子，但因?yàn)樗惴ㄗ陨淼娜毕荩l(wèi)星可能是反向?qū)θ蛰d流子。既有方案期望控制轉(zhuǎn)矩中的減振項(xiàng)可以分為沿太陽角方向份量和垂直于太陽角方向份量兩部份，后者用于太陽角控制中的減振，前者用于星系角速度的減振。在太陽角接近90°時(shí)，既有方案期望控制轉(zhuǎn)矩中的減振項(xiàng)將降小至0附近，其用于太陽角減振的部份幾乎為0，太陽角控制出現(xiàn)振蕩；在太陽角小于90°時(shí)，減振項(xiàng)中用于太陽角減振的部份發(fā)生符號改變，此時(shí)因?yàn)闇p振項(xiàng)的反向作用，太陽角將越控越大，最終逗留在反向?qū)θ辗较蛏希浑S后太陽角控制比列項(xiàng)與減振項(xiàng)份量互相制約，太陽角將永遠(yuǎn)沒法降為小量。采用改進(jìn)的磁控載流子對日定向方案可有效規(guī)避既有方案中控制發(fā)散的可能，太陽角可平穩(wěn)控制在較小量級附近，可保證星上能源的充足供應(yīng)。
圖5至圖7為改進(jìn)方案對應(yīng)的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明：采用地磁場矢量的叉乘積作為期望控制轉(zhuǎn)矩的減振項(xiàng)，可有效規(guī)避既有方案中控制發(fā)散的可能，同時(shí)，地磁場矢量的叉乘積減振項(xiàng)僅起減振作用，不會(huì)對太陽角大小的控制帶來負(fù)面影響，太陽角可平穩(wěn)控制在較小量級附近，可保證星上能源的充足供應(yīng)。
可見，采用本發(fā)明所述方式成功解決了既有方案中特殊情況下太陽角控制發(fā)散的問題，可實(shí)現(xiàn)全天域、全狀態(tài)情況下的太陽角控制。
雖然上文描述了本發(fā)明的各施行例，而且，應(yīng)當(dāng)理解，它們只是作為示例來呈現(xiàn)的，而不作為限制。對于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，可以對其作出各類組合、變型和改變而不背離本發(fā)明的精神和范圍。為此，此處所公開的本發(fā)明的長度和范圍不應(yīng)被上述所公開的示例性施行例所限制，而應(yīng)該僅依據(jù)所附權(quán)力要求書及其等同替換來定義。
導(dǎo)航：X技術(shù)>最新專利>民航航天裝置制造技術(shù)>一種基于地磁場檢測參數(shù)的改進(jìn)的純磁控載流子對日定向方式與流程
技術(shù)特點(diǎn)：
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種純磁控載流子對日定向方式，包括：按照地磁矢量和太陽矢量確定星系角速率；按照估算得到的恒星角速率，判定是否須要進(jìn)行恒星速度減振；若果不須要進(jìn)行恒星速度減振，則確定期望控制轉(zhuǎn)矩；按照期望控制轉(zhuǎn)矩反算磁扭力器對應(yīng)的期望輸出磁矩。本發(fā)明無須配置其它敏感單元或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)全天域、全狀態(tài)下的磁控載流子對日定向。
技術(shù)研制人員：夏喜旺;張科科;郭崇濱;陳宏宇;周世龍;徐文明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京微小衛(wèi)星工程中心
技術(shù)研制日：2019.01.30
技術(shù)公布日：2019.04.26
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