一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法，包括：判断轨道数据有效状态；当轨道数据有效时，利用当前时刻的轨道信息计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息；当轨道数据无效时，利用上一周期的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息和轨道角速度信息拟合计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息；以及基于当前时刻的J2000系到卫星本体系的姿态转化矩阵信息和陀螺测量角速度信息计算卫星本体系相对轨道系的姿态角和姿态角速度。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法
本专利技术涉及卫星姿态控制领域，特别涉及一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法。
技术介绍
航天器在轨对地定向运行时，由于人为的轨道上注错误数据或星上轨道计算软件故障引起轨道数据不可用时，无法利用双矢量定姿、星敏+陀螺定姿和陀螺积分定姿常规计算航天器本体系相对轨道系的姿态信息，因此姿态控制系统可能出现控制不稳定、控制性能下降，甚至由于长时间不能定姿而进入定姿故障模式，最终导致姿控系统退出稳定三轴轮控而进入安全模式，无法正常进行对地定向任务。现有的卫星/航天器对地定姿方法是利用航天器轨道数据计算J2000系到轨道系的姿态转化矩阵，以及利用星敏数据或双矢量定姿方法计算出卫星本体系相对J2000系的姿态矩阵信息和真实陀螺测量获得的角速度信息，最后计算出卫星/航天器本体系相对于轨道系的姿态矩阵(姿态角)和姿态角速度。轨道参数信息是三轴稳定航天器姿态计算的重要依据，现有的计算方案与轨道数据密切相关，当轨道数据无效，就无法计算J2000系到轨道系的姿态转化矩阵，因此就无法计算出本体系相对轨道系的姿态角和姿态角速度信息，导致姿控进入定姿故障模式。为了增强姿控系统的可靠性，避免轨道数据暂时失效进入安全模式，必须采用新的思路去解决这个问题。
技术实现思路
针对现有技术中的轨道参数信息作为三轴稳定航天器姿态计算的重要依据，计算方案与轨道数据密切相关，当轨道数据无效，就无法计算J2000系到轨道系的姿态转化矩阵的问题，根据本专利技术的一个实施例，提供一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法，包括：判断轨道数据有效状态；当轨道数据有效时，利用当前时刻的轨道信息计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息；当轨道数据无效时，利用上一有效时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息和轨道角速度信息拟合计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息；以及基于当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息和真实陀螺测量信息计算卫星本体系相对轨道系的姿态角和姿态角速度。在本专利技术的一个实施例中，利用当前时刻的轨道信息计算J2000系到轨道系的转化矩阵信息的方法为：uRi·uVi＝(uRixuVix+uRiyuViy+uRizuViz)uRi·uRi＝(uRixuRix+uRiyuRiy+uRizuRiz)其中为当前时刻的轨道J2000系下位置矢量归一化后的矢量，为当前时刻的J2000速度矢量归一化后的矢量，Aoi为当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵。在本专利技术的一个实施例中，利用上一周期计算时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息和真实陀螺测量信息拟合计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息的方法包括：获取上一周期计算时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息；基于已知的轨道角速度和时间计算当前时刻轨道坐标系绕其Y轴的旋转角；以及计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息。在本专利技术的一个实施例中，所述基于已知的轨道角速度和时间计算当前时刻轨道坐标系绕其Y轴的旋转角为-ω0*(T1-T0)，其中ω0为已知近圆轨道卫星的轨道角速度，T0为上一有效时刻，T1为当前时刻。在本专利技术的一个实施例中，所述计算当前时刻的J2000系到轨道系的转化矩阵信息的计算方法为：其中AoiT1为当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵，AoiT0为上一有效时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵，ω0为已知近圆轨道卫星的轨道角速度，△T为当前时刻与上一周期计算时刻的时间差，且△T＝T1-T0。在本专利技术的一个实施例中，所述基于当前时刻的J2000系到轨道系的转化矩阵信息和真实陀螺测量角速度信息计算卫星本体系相对轨道系的姿态角和姿态角速度的计算方法为：Abo＝Abi(Aoi)Tωbo_b＝ωbi_b-Aboωio_o其中，Abo为当前轨道系到本体系的姿态转化矩阵，Abi为J2000系到本体系的姿态转化矩阵，Aoi为当前时刻的J2000系到轨道系的转化矩阵；ωb1_b为当前卫星本体系相对轨道系的姿态角速度，在本体系中表示；ωbi_b是卫星本体系相对J2000系的姿态角速度，在本体系中表示，该信息可由真实陀螺测量获得；ωio_o是J2000系相对轨道系的姿态角速度，在轨道系中表示。本专利技术提供一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法，基于轨道系与J2000系的相互旋转关系，将轨道系虚拟为一个在空间绕其Y轴以轨道角速度在进行旋转的陀螺，并采用陀螺积分由前一时刻的J2000系到轨道系转化矩阵信息计算当前时刻的J2000系到轨道系转化矩阵信息，进一步计算航天器本体坐标系相对于轨道坐标系的姿态信息，在一定程度上解决了短时间内轨道数据失效时进行对地定向姿态的问题，增强姿控系统的可靠性，并为地面监测人员发现轨道数据异常问题和进行地面校正错误赢得时间。附图说明为了进一步阐明本专利技术的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本专利技术的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本专利技术的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。图1示出根据本专利技术的一个实施例提供的一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法的J2000系与轨道坐标系定义示意图。图2示出根据本专利技术的具体实施例提供的一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法的整体算法流程图。图3示出根据本专利技术的具体实施例提供的一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法的无效状态算法流程图。图4示出根据本专利技术的具体实施例提供的一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法的T0时刻和T1时刻的瞬时轨道坐标系及相互旋转示意图。图5示出根据本专利技术的具体实施例提供的一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法仿真获得的实际对地姿态角示意图。图6示出根据本专利技术的具体实施例提供的一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法仿真获得的迭代计算获得的对地姿态角示意图。图7示出根据本专利技术的具体实施例提供的一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法仿真获得的迭代计算获得的对地姿态角与实际对地姿态角的偏差示意图。具体实施方式在以下的描述中，参考各实施例对本专利技术进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本专利技术的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本专利技术的实施例的全面理解。然而，本专利技术可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本专利技术的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。需要说明的是，本专利技术的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本专利技术的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。本专利技术提供一种轨道短时失效情况本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法，包括：判断轨道数据有效状态；当轨道数据有效时，利用当前时刻的轨道信息计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息；当轨道数据无效时，利用上一周期的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息和轨道角速度信息拟合计算当前时刻的J2000系到轨道系的转化矩阵信息；以及基于当前时刻的J2000系到卫星本体系的姿态转化矩阵信息和陀螺测量角速度信息计算卫星本体系相对轨道系的姿态角和姿态角速度。

【技术特征摘要】
1.一种轨道短时失效情况下对地定向姿态的计算方法，包括：判断轨道数据有效状态；当轨道数据有效时，利用当前时刻的轨道信息计算当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息；当轨道数据无效时，利用上一周期的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息和轨道角速度信息拟合计算当前时刻的J2000系到轨道系的转化矩阵信息；以及基于当前时刻的J2000系到卫星本体系的姿态转化矩阵信息和陀螺测量角速度信息计算卫星本体系相对轨道系的姿态角和姿态角速度。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用当前时刻的轨道信息计算J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息的方法为：uRi·uVi＝(uRixuVix+uRiyuViy+uRizuViz)uRi·uRi＝(uRixuRix+uRiyuRiy+uRizuRiz)其中为当前时刻的轨道J2000系下位置矢量归一化后的矢量，为当前时刻的J2000速度矢量归一化后的矢量，Aoi为当前时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用上一有效时刻的J2000系到轨道系的姿态转化矩阵信息和轨道角速度信息拟合计算当前时刻的J2000系到轨道系的转化矩阵信息的方法包括：获取上一周期计算时刻的J2000系到轨道系的转化矩阵信息；基于已知的轨道角速度和时间计算当前时刻轨道坐标系绕其Y轴的旋转角；以...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳应权，李东，陆姗姗，李晓红，吴子轶，张静，万松，刘爽，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：上海,31