火星环绕器及环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法技术

本发明专利技术一种火星环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，该方法包含：环绕器捕获太阳和火星，获取器日矢量和器火矢量；环绕器上根据器日矢量和器火矢量确定环绕器当前姿态，并进行机动控制，使环绕器对地通信定向天线安装方向指向地球，建立对地通信链路。本发明专利技术通过模拟太阳角计捕获太阳，红外导航敏感器捕获火星，获取器日矢量和器火矢量，进行姿态控制建立对地通信链路，不依靠陀螺的火星环绕器全姿态对地通信链路建立方法，突破了火星环绕器姿态异常后仍依赖陀螺的工作方式，使火星环绕器全姿态对地定向的可靠性得到提高。

A Mars attitude control system based on Mars attitude and surround

The invention relates to a method for establishing a gyroscope-free all-attitude earth-to-earth communication link of a Mars orbiter, which comprises: the orbiter captures the sun and Mars, obtains the orbiter day vector and the orbiter fire vector; the orbiter determines the current attitude of the orbiter according to the orbiter day vector and the orbiter fire vector, and carries out maneuvering control so as to orient the orbiter to the earth communication. The antenna installation direction points to the earth and establishes earth to ground communication link. By simulating the solar goniometer to capture the sun, the infrared navigation sensor to capture Mars, the vector of the spacecraft day and the vector of the spacecraft fire, the attitude control to establish the communication link between the earth and the whole attitude of the spacecraft without gyroscope, the method of establishing the communication link between the earth and the whole attitude of the spacecraft without gyroscope breaks through the method of still relying on the gyroscope after the attitude anomaly of the spacecraft. The way of working makes the reliability of the attitude around the Mars surround to be improved.

【技术实现步骤摘要】
火星环绕器及环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法
本专利技术涉及航天领域，具体涉及一种火星环绕器及环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法。
技术介绍
火星环绕器在环火轨道上姿态异常时，首先需要完成太阳帆板对日定向，以保证整器能源供应，此后建立对地通信链路，实现器上关键遥测数据下传，为地面决策提供必要支撑。为实现相关功能，器载计算机需要进行自主故障诊断、自主工作模式切换等操作，同时自主或根据地面指令重新进入稳态工作模式。目前国内尚无火星探测工程经验，近地在轨运行的高精度三轴稳定卫星中，全姿态一般仅要求对日定向，无对地指向约束，且需利用陀螺数据作为反馈。单纯借鉴这种方法存在一定的局限性，在由陀螺故障引起火星环绕器姿态异常的情形下，由于无法完全隔离故障源，将导致火星环绕器无法恢复正常姿态。此外，火星环绕器距离地球最大约4亿公里，工作环境较为恶劣，一方面器地距离远导致遥测遥控信息交互不及时，地面无法及时对器上故障作出反应；另一方面器上配置的陀螺随着环绕器的运行其寿命逐渐损耗，导致陀螺故障概率逐渐增大。随着深空探测任务对环绕器在轨自主性的要求不断提高，需要在设计阶段有效识别环绕器在轨运行的姿态异常情况，设计可靠有效的全姿态方案。因此，可以研究在火星环绕器全姿态过程中不采用陀螺数据的方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种火星环绕器及环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，能够在环绕器姿态异常后进行全姿态对地指向控制，无需陀螺的角速度数据作为反馈，增加火星环绕器全姿态对地定向的可靠性。为实现上述目的，本专利技术提供一种火星环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特点是，该方法包含：环绕器捕获太阳和火星，获取器日矢量和器火矢量；环绕器上根据器日矢量和器火矢量确定环绕器当前姿态，并进行机动控制，使环绕器对地通信定向天线安装方向指向地球，建立对地通信链路。上述的环绕器环绕器捕获太阳和火星前还包含：环绕器进入全姿态模式，太阳帆板旋转至零位并锁定，使太阳帆板相对环绕器的关系固定在需要的位置。上述的环绕器捕获太阳包含：环绕器的滚动飞轮、俯仰飞轮、偏航飞轮固定转速，根据环绕器稳态飞行时的动量实现环绕器器体角速度阻尼；环绕器利用器体模拟太阳角计测量获取器日矢量，结合太阳捕获逻辑，环绕器控制器体+Xb轴对日定向。上述环绕器捕获太阳后，太阳帆板的受光方向对日，为环绕器供给能源。上述环绕器的滚动飞轮、俯仰飞轮、偏航飞轮固定转速1转/分钟。上述环绕器控制器体+Xb轴对日定向的控制的目标为器体+Xb轴模拟太阳角计输出滚动太阳角和偏航太阳角小于2°。上述环绕器捕获火星包含：环绕器进行绕+Xb轴慢旋控制，红外导航敏感器捕获火星，获取器火矢量；当红外导航敏感器连续30s输出有效数据，环绕器确定火星捕获，进行惯性保持控制。上述环绕器绕+Xb轴慢旋控制的旋转角速度为0.01°/秒。上述确定环绕器当前姿态的方法包含：将模拟太阳角计测量的器日矢量以及红外导航敏感器测量的器火矢量转换到环绕器器体坐标系中；根据环绕器器上轨道信息以及存储的火星星历信息，计算地心J2000坐标系下器日矢量及器火矢量；根据环绕器器体坐标系下的器日矢量、器火矢量以及地心J2000坐标系下的器日矢量、器火矢量，计算环绕器相对地心J2000坐标系的姿态矩阵。一种火星环绕器，其特点是，该火星环绕器包含：太阳捕获模块，其控制环绕器器体的角速度进行速率阻尼，通过器体模拟太阳角计测量获取器日矢量，结合太阳捕获逻辑，控制环绕器器体+Xb轴对日定向；火星捕获模块，其控制环绕器绕器体绕+Xb轴慢旋，通过红外导航敏感器捕获火星，输出器火矢量；环绕器姿态控制模块，其接收器日矢量和器火矢量，计算环绕器本体坐标系和地心J2000坐标系下的器日矢量及器火矢量，获取环绕器相对地心J2000坐标系的姿态矩阵，将环绕器-Zb轴指向地球，建立对地通信链路。本专利技术火环绕器及环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法与现有技术相比，其优点在于，本专利技术通过模拟太阳角计捕获太阳，红外导航敏感器捕获火星，获取器日矢量和器火矢量，从而进行姿态控制将环绕器-Zb轴指向地球，建立对地通信链路，不依靠陀螺的火星环绕器全姿态对地通信链路建立方法，突破了火星环绕器姿态异常后仍依赖陀螺的工作方式，使得火星环绕器全姿态对地定向的可靠性得到提高。附图说明图1为本专利技术一种环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法的流程图；图2为太阳帆板归零后与环绕器器体的坐标系定义示意图；图3为模拟太阳角计在环绕器器体的安装示意图；图4为模拟太阳角计在环绕器器体的安装示意图；图5为红外导航敏感器与器体的关系示意图；图6为利用器日矢量和器火矢量确定环绕器当前姿态的流程图。具体实施方式以下结合附图，进一步说明本专利技术的具体实施例。如图1所示，公开了一种环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，为一种用于火星环绕器姿态异常后的对地通信模式中，无陀螺数据而仅依靠模拟太阳角计和红外导航敏感器数据完成全姿态的稳定对地指向控制方法，该环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法具体包含以下步骤：S110、环绕器在轨姿态异常时，环绕器进入全姿态模式(也称安全模式)。如图2所示，图中，环绕器器体为201，太阳帆板为202，环绕器推力器的反方向为+Xb，指向火星方向+Zb，+Yb与+Xb、+Zb符合右手定则。太阳帆板202的受光方向为+Zf，太阳帆板202的坐标系为OfXfYfZf。太阳帆板202旋转至零位并锁定，使太阳帆板202相对环绕器器体201的关系固定在需要的位置。当环绕器器体201捕获太阳和对日定向控制后，太阳帆板202的+Zf轴(即受光方向)对日，从而保证整器能源供给。S120、环绕器向其滚动飞轮、俯仰飞轮、偏航飞轮发送固定转速指令，使滚动飞轮、俯仰飞轮、偏航飞轮固定转速1转/分钟，根据环绕器稳态飞行时的动量实现环绕器器体角速度阻尼，使得环绕器具备捕获太阳的初始条件。S130、太阳捕获。S131、速率阻尼结束后，环绕器利用器体模拟太阳角计测量获取器日矢量。S132、器日矢量结合太阳捕获逻辑，环绕器控制器体+Xb轴对日定向。其中环绕器控制器体+Xb轴对日定向的控制的目标为器体+Xb轴模拟太阳角计输出滚动太阳角和偏航太阳角小于2°。如图3并结合图4所示，环绕器器体设有第一器体模拟太阳角计301，第二器体模拟太阳角计302，第三器体模拟太阳角计401、第四器体模拟太阳角计402。第一器体模拟太阳角计301和第二器体模拟太阳角计302位于环绕器器体的一面，第三器体模拟太阳角计401和第四器体模拟太阳角计402位于环绕器器体的另一面。首先利用第一器体模拟太阳角计301，第二器体模拟太阳角计302，第三器体模拟太阳角计401、第四器体模拟太阳角计402进行全天球太阳搜索，结合太阳捕获逻辑，对器体进行机动控制，保证第一器体模拟太阳角计301和第二器体模拟太阳角计302稳定捕获太阳。S140、火星捕获。如图5所示，火星捕获具体包含：S141、当环绕器+Xb完成对日定向后，环绕器进行绕+Xb轴慢旋控制，环绕器绕+Xb轴慢旋控制的旋转角速度为0.01°/秒。S142、红外导航敏感器501初次捕获火星，器上给出初捕标志。S143、当红外导航敏感器501连续30s输出有效数据，器上给出捕获标志，对环绕器进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特征在于，该方法包含：环绕器捕获太阳和火星，获取器日矢量和器火矢量；环绕器上根据器日矢量和器火矢量确定环绕器当前姿态，并进行机动控制，使环绕器对地通信定向天线安装方向指向地球，建立对地通信链路。

【技术特征摘要】
1.一种环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特征在于，该方法包含：环绕器捕获太阳和火星，获取器日矢量和器火矢量；环绕器上根据器日矢量和器火矢量确定环绕器当前姿态，并进行机动控制，使环绕器对地通信定向天线安装方向指向地球，建立对地通信链路。2.如权利要求1所述的环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特征在于，所述的环绕器捕获太阳和火星前还包含：环绕器进入全姿态模式，太阳帆板旋转至零位并锁定，使太阳帆板相对环绕器的关系固定在需要的位置。3.如权利要求1所述的环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特征在于，所述的环绕器捕获太阳包含：环绕器的滚动飞轮、俯仰飞轮、偏航飞轮固定转速，根据环绕器稳态飞行时的动量实现环绕器器体角速度阻尼；环绕器利用器体模拟太阳角计测量获取器日矢量，结合太阳捕获逻辑，环绕器控制器体+Xb轴对日定向。4.如权利要求2或3所述的环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特征在于，所述环绕器捕获太阳后，太阳帆板的受光方向对日，为环绕器供给能源。5.如权利要求3所述的环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特征在于，所述环绕器的滚动飞轮、俯仰飞轮、偏航飞轮固定转速1转/分钟。6.如权利要求3所述的环绕器全姿态无陀螺对地通信链路建立方法，其特征在于，所述环绕器控制器体+Xb轴对日定向的控制的目标为器体+Xb轴模拟太阳角计输出滚动太阳角和偏航太阳角小于2°。7.如权利要求1所述的环绕器全姿态无陀螺对...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖东东，祖立业，朱庆华，王卫华，马瑞，冯建军，聂钦博，周杰，许贤峰，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31