以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法技术

本发明专利技术公开一种以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，属于航天器姿态控制技术领域。所述平稳对地定向方法分两步建立卫星的期望姿态：首先以卫星‑地心连线方向、黄道面法向为基础建立卫星的中间姿态；然后将中间姿态绕卫星‑地心连线方向旋转一个近似呈现周期变化的角度，从而在确保期望对地轴严格对地的同时，较好地抑制卫星的对日指向偏差。依据所述方法得到的卫星期望姿态能够保持平稳变化，避免了传统方法导致的日‑地‑卫星共线情况下卫星期望姿态在短时间内剧烈变化的奇异现象，从而大幅降低卫星对地定向过程中的峰值能耗。

A method of satellite's stable orientation to the earth based on the deviation of orientation to the sun

【技术实现步骤摘要】
以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法
本专利技术属于航天器姿态控制
，具体涉及一种以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法。
技术介绍
一般说来，地球轨道上的卫星都是两体定向的，太阳能电池阵对日定向，遥感和通信设备对地定向，也就是说，卫星在轨工作有对日定向和对地定向两种模式。其中，对地定向是卫星常用的姿态控制任务模式之一，它通过设定卫星的期望姿态，使卫星数传天线、光学相机等传感器或有效载荷指向地面以确保其正常工作，同时还可以设定适当约束以满足卫星太阳能电池阵对日充电的需求。由于对地观测或通信的传感器或有效载荷通常都是装在卫星本体上的，因此通过控制卫星本体的姿态就可以保证对地定向。另一方面，由于电能对于卫星的重要性不言而喻，要求太阳能电池阵的受晒面尽可能地朝向太阳，这也就是太阳能电池阵通常设计成可转动式的原因。由此，以对日指向偏差为约束的对地定向模式是一种典型的卫星对地定向模式，在这种模式下，卫星期望对地轴严格的指向卫星-地心连线方向，同时使得期望对日轴与卫星-太阳连线方向的夹角相对较小。现有的文献与技术资料中，已开展了一些航天器对地定向方法的相关研究：文献“仅地心矢量测量的卫星转对地定向姿态控制方法”(作者：雷拥军,等；期刊：空间控制技术与应用；卷期：44(6)；页码：5-11)针对角速度过大且陀螺测量的姿态异常情况，给出了一种仅依赖地心矢量的对地姿态快速恢复控制方法，该方法综合天平角抑制与能量耗散，采用几何方法求解具有星体角动量偏置的闭环控制非线性系统的各平衡点，通过合理选取参数可获得期望稳定对地姿态。专利CN103818564B(公告日：2015.11.25)公开了一种采用小推力的航天器轨道维持与对地定向姿态保持一体化控制方法，首先计算小推力轨道维持所需推力，然后计算对地定向姿态控制所需力矩，最后计算小推力一体化控制指令，该方法有效消除了因轨道姿态控制相对独立所产生的控制冗余。专利CN103019252B(公告日：2016.12.07)公开了一种火星探测器自主对地定向控制方法，通过反作用飞轮转速控制实现对地定向机动，之后利用星敏感器的测量值计算姿态角，并结合飞轮PI控制律进行对地稳态控制，该方法不依赖地球敏感器和陀螺，能够自主完成全姿态捕获地球和对地定向。专利CN108820253A(公开日：2018.11.16)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，当轨道数据无效时利用上一周期姿态转化矩阵和轨道角速度信息拟合计算当前时刻姿态转化矩阵信息，再结合陀螺测量角速度信息计算卫星的姿态角和姿态角速度。上述这些方法均是针对一些特殊的情形，例如陀螺测量姿态异常、轨道小推力、轨道短时失效等，或者是针对特殊的航天器任务，如火星探测器等，而给出的一些对地定向方法，普适性不强。而且，更为重要的是，传统的以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，要求卫星期望对地轴指向地心，同时将期望对日轴置于日-地-卫星所确定的平面内且与卫星-太阳连线方向的夹角最小。依据这样的传统方法，在卫星-太阳连线和卫星-地球连线接近平行前后的一段短时间内，卫星期望姿态会发生大幅度翻转，卫星期望姿态不能平稳变化，不利于卫星姿态控制系统的安全稳定，亦使得姿态控制系统频繁高功耗工作，对卫星寿命产生损害。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种平稳的卫星以对日指向偏差为约束的对地定向方法，旨在克服现有方法将会导致卫星期望姿态在短时间内发生大幅度翻转的奇异现象，同时解决现有方法将会导致姿态控制系统频繁高功耗工作的问题。为实现上述目的，本专利技术提出一种以对地指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，包括以下两个步骤：步骤1，以卫星-地心连线方向、黄道面法向为基础建立卫星中间姿态；步骤2，将卫星中间姿态绕卫星-地心连线方向旋转一个呈现周期变化的角度获得卫星的期望姿态，从而在确保期望对地轴严格对地的同时，较好地抑制卫星的对日指向偏差。所述步骤1的详细步骤包括：S1，区分卫星的期望对地轴、期望对日轴和自由轴；S2，获取卫星当前轨道位置矢量、卫星-日心连线方向矢量和黄道面法向量，并求取卫星-地心连线方向矢量；S3，建立卫星中间姿态，使得所述期望对地轴与卫星-地心连线方向重合，同时使得所述期望对日轴位于黄道面法向与卫星-地心连线共同确定的平面内，且期望对日轴与卫星-地心连线方向垂直，并远离黄道面法向的方向。所述步骤2的详细步骤包括：S4，确定卫星中间姿态绕卫星-地心连线方向旋转的角度θ；S5，将卫星中间姿态旋转θ角度，得到最终的卫星期望姿态。所述S3中选取的期望对日轴的方向，使得期望对日轴方向与黄道面法向之间的夹角大于90度。优选的，所述角度θ在[0,2π)的取值范围内连续变化。优选的，所述角度θ等于卫星-地心连线方向单位矢量在黄道面内的投影ren绕黄道面法向量nsun旋转至卫星-日心连线方向单位矢量rs时所转过的角度。所述卫星期望姿态在地心惯性系下的空间描述M由式(7)确定：M＝M2M1，(7)式中，M2为卫星中间姿态到卫星期望姿态的转换矩阵：其中，Rz表示绕z轴的旋转变换矩阵，θ为卫星中间姿态绕卫星-地心连线方向旋转的角度；而M1为地心惯性系到卫星中间姿态的转换矩阵：其中，xb0、yb0和zb0分别表示中间姿态下卫星本体坐标系x轴、y轴和z轴三轴方向向量，上标T表示向量转置，下标i表示在地心惯性系下的分量。一种以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以所述以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以所述以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法的计算机程序。一种卫星，其特征在于，该卫星带有所述以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向系统。一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以所述以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法的计算机程序。与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：依据本专利技术所述方法得到的卫星期望姿态能够保持平稳变化，避免了传统方法导致的日-地-卫星共线情况下卫星期望姿态在短时间内剧烈变化的奇异现象，从而大幅降低卫星对地定向过程中的峰值能耗。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1是卫星的中间姿态示意图；图2是卫星的期望姿态示意图；图3是期望对日轴的方向选取示意图；图4是本专利技术所述以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法的流程图；图5是本专利技术实施例卫星期望对日轴与对日方向的夹角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，其特征在于包括以下两个步骤：/n步骤1，以卫星-地心连线方向、黄道面法向为基础建立卫星中间姿态；/n步骤2，将卫星中间姿态绕卫星-地心连线方向旋转一个呈现周期变化的角度获得卫星期望姿态，从而在确保期望对地轴严格对地的同时，较好地抑制卫星的对日指向偏差。/n

【技术特征摘要】
1.一种以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，其特征在于包括以下两个步骤：
步骤1，以卫星-地心连线方向、黄道面法向为基础建立卫星中间姿态；
步骤2，将卫星中间姿态绕卫星-地心连线方向旋转一个呈现周期变化的角度获得卫星期望姿态，从而在确保期望对地轴严格对地的同时，较好地抑制卫星的对日指向偏差。


2.根据权利要求1所述的以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，其特征在于，所述步骤1的详细步骤包括：
S1，区分卫星的期望对地轴、期望对日轴和自由轴；
S2，获取卫星当前轨道位置矢量、卫星-日心连线方向矢量和黄道面法向量，并求取卫星-地心连线方向矢量；
S3，建立卫星中间姿态，使得所述期望对地轴与卫星-地心连线方向重合，同时使得所述期望对日轴位于黄道面法向与卫星-地心连线共同确定的平面内，且期望对日轴与卫星-地心连线方向垂直，并远离黄道面法向的方向。


3.根据权利要求1所述的以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，其特征在于，所述步骤2的详细步骤包括：
S4，确定卫星中间姿态绕卫星-地心连线方向旋转的角度θ；
S5，将卫星中间姿态旋转θ角度，得到最终的卫星期望姿态。


4.根据权利要求2所述的以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，其特征在于，所述S3中选取的期望对日轴的方向，使得期望对日轴方向与黄道面法向之间的夹角大于90度。


5.根据权利要求3所述的以对日指向偏差为约束的卫星平稳对地定向方法，其特征在于，所述角度θ在[0,2π)的取值范围内连续变化。


6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：季浩然，刘望，李东旭，张斌斌，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43