基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统，包括分析姿态奇异约束、分析姿态基准确定误差约束，分析姿态机动能力约束、设置双矢量夹角限制范围。根据双矢量确定的三轴姿态变化规律，判断是否会发生姿态翻转的姿态奇异现象；根据双矢量确定的三轴姿态，通过分析姿态基准确定误差，判断天线、相机等载荷指向误差是否满足在轨要求；根据双矢量确定的三轴姿态，通过分析姿态机动能力，判断角动量和力矩是否满足需求。综合双矢量确定的姿态奇异约束、姿态基准确定误差约束和姿态机动能力约束，设置双矢量夹角限制范围。本发明专利技术解决了基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定问题，方法简单，工程上易于实现。

A method and system for determining the limited range of angle between two vectors based on constraint analysis

【技术实现步骤摘要】
基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统
本专利技术涉及航天器姿态控制领域，具体地，涉及一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统。
技术介绍
航天器姿态控制方式有多种，常用的是三轴稳定姿态控制方式。其方法是限制两轴的指向，利用右手法则确定航天器三轴姿态，保证航天器三轴姿态稳定。空间中任意的双矢量都可作为确定航天器三轴姿态的基准，但受能源、测控等因素影响，地心矢量、太阳矢量以及轨道面负法线矢量是常用的双矢量之一。若以地心矢量和轨道面负法线矢量作为双矢量，则双矢量的夹角固定为90°，航天器姿态奇异情况分析简单；若以地心矢量和太阳矢量作为双矢量，由于地球公转和航天器轨道运动，双矢量夹角并不固定，而是0-360°变化，很有可能发生姿态奇异现象。一方面双矢量姿态基准确定影响天线、相机等载荷指向计算精度。确定姿态基准的精度与双矢量的夹角有直接的关系。当双矢量夹角越小时，双矢量确定精度对姿态基准确定精度影响越大。另一方面随着航天器轨道运动，某一个矢量变化快，造成确定的姿态基准变化快，此时要求航天器能够实时姿态机动跟踪该发生变化的期望姿态。但受火箭发射能力，航天器大小等影响，航天器执行机构并不是无限配置，而是存在姿态机动能力包络，若姿态变化超出航天器姿态机动能力包络范围，航天器将跟踪不上双矢量确定的三轴姿态指向。航天器姿态奇异现象、双矢量夹角对姿态基准确定误差的影响以及航天器在轨机动能力是不得不面对的问题，为保证航天器在轨安全运行且完成任务，必须对这些约束进行分析，提出对双矢量夹角的要求，从而根据要求制定相关的措施，保证航天器在轨安全可靠。专利技术专利“大椭圆轨道姿态基准确定方法”(公开号：CN106767811A)提出了采用地心矢量和太阳矢量作为双矢量，但是没有涉及基于约束分析双矢量夹角范围。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，包括：姿态奇异约束分析步骤：以选定的空间中双矢量r1(t)与r2(t)作为姿态基准，根据设定的双矢量确定三轴姿态准则X，分析航天器三轴姿态随时间t的变化规律确定是否会发生姿态正负180°翻转的姿态奇异现象；姿态基准确定误差约束分析步骤：根据双矢量确定三轴姿态准则X，分析双矢量的确定误差，分析误差放大倍数与双矢量夹角的关系，确定姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1；姿态机动能力约束分析步骤：确定角动量对双矢量夹角的约束Γ20，确定力矩对双矢量夹角的约束Γ21，将约束Γ20和约束Γ21合成姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2。双矢量夹角限制范围设置步骤：根据姿态奇异约束、姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1和姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2，设置双矢量夹角限制范围Γ。优选地，所述姿态基准确定误差约束分析步骤中，在确定姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1时，同时考虑天线、相机在内的航天器载荷指向误差要求。优选地，所述姿态机动能力约束分析步骤包括：利用刚体动量矩定理，估算航天器跟踪上双矢量确定的三轴期望姿态所需要的角动量H(t)，根据航天器姿态机动执行机构配置是否满足角动量要求，确定角动量对双矢量夹角的约束Γ20；根据刚体动量矩定理，估算航天器跟踪上双矢量确定的三轴期望姿态所需要的力矩M(t)，根据航天器姿态机动执行机构配置是否满足力矩要求，确定力矩对双矢量夹角的约束Γ21；将约束Γ20和约束Γ21合成姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2。优选地，所述双矢量包括地心矢量和太阳矢量。优选地，所述双矢量确定三轴姿态准则χ包括：X轴根据Y、Z轴由右手定则确定，当地心矢量和太阳矢量平行时，偏航姿态发生180°翻转的现象。根据本专利技术提供的一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定系统，包括：姿态奇异约束分析模块：以选定的空间中双矢量r1(t)与r2(t)作为姿态基准，根据设定的双矢量确定三轴姿态准则χ，分析航天器三轴姿态随时间t的变化规律确定是否会发生姿态正负180°翻转的姿态奇异现象；姿态基准确定误差约束分析模块：根据双矢量确定三轴姿态准则χ，分析双矢量的确定误差，分析误差放大倍数与双矢量夹角的关系，确定姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1；姿态机动能力约束分析模块：确定角动量对双矢量夹角的约束Γ20，确定力矩对双矢量夹角的约束Γ21，将约束Γ20和约束Γ21合成姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2。双矢量夹角限制范围设置模块：根据姿态奇异约束、姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1和姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2，设置双矢量夹角限制范围Γ。优选地，所述姿态基准确定误差约束分析模块中，在确定姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1时，同时考虑天线、相机在内的航天器载荷指向误差要求。优选地，所述姿态机动能力约束分析模块包括：利用刚体动量矩定理，估算航天器跟踪上双矢量确定的三轴期望姿态所需要的角动量H(t)，根据航天器姿态机动执行机构配置是否满足角动量要求，确定角动量对双矢量夹角的约束Γ20；根据刚体动量矩定理，估算航天器跟踪上双矢量确定的三轴期望姿态所需要的力矩M(t)，根据航天器姿态机动执行机构配置是否满足力矩要求，确定力矩对双矢量夹角的约束Γ21；将约束Γ20和约束Γ21合成姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2。优选地，所述双矢量包括地心矢量和太阳矢量。优选地，所述双矢量确定三轴姿态准则χ包括：X轴根据Y、Z轴由右手定则确定，当地心矢量和太阳矢量平行时，偏航姿态发生180°翻转的现象。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术解决了基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定问题，在航天器在轨姿态控制方法设计中，支撑解决航天器轨道和配置对双矢量夹角限制问题，方法简单，工程上易于实现。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：附图1为本专利技术的工作流程图；附图2为本专利技术的某一轨道下以地心矢量和太阳矢量为双矢量的航天器偏航姿态变化规律图；附图3为本专利技术的姿态误差放大倍数与地心矢量和太阳矢量夹角的关系图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。下面结合附图1、附图2和附图3说明本专利技术一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法的具体实施方式。内容包括四个部分：分析姿态奇异约束、分析姿态基准确定误差约束，分析姿态机动能力约束、设置双矢量夹角限制范围。如图1所示，以地心矢量和太阳矢量作为姿态基准为例：...

【技术保护点】
1.一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，其特征在于，包括：/n姿态奇异约束分析步骤：以选定的空间中双矢量r

【技术特征摘要】
1.一种基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，其特征在于，包括：
姿态奇异约束分析步骤：以选定的空间中双矢量r1(t)与r2(t)作为姿态基准，根据设定的双矢量确定三轴姿态准则χ，分析航天器三轴姿态随时间t的变化规律确定是否会发生姿态正负180°翻转的姿态奇异现象；
姿态基准确定误差约束分析步骤：根据双矢量确定三轴姿态准则χ，分析双矢量的确定误差，分析误差放大倍数与双矢量夹角的关系，确定姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1；
姿态机动能力约束分析步骤：确定角动量对双矢量夹角的约束Γ20，确定力矩对双矢量夹角的约束Γ21，将约束Γ20和约束Γ21合成姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2。
双矢量夹角限制范围设置步骤：根据姿态奇异约束、姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1和姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2，设置双矢量夹角限制范围Γ。


2.根据权利要求1所述的基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，其特征在于，所述姿态基准确定误差约束分析步骤中，在确定姿态基准确定误差对双矢量夹角的约束Γ1时，同时考虑天线、相机在内的航天器载荷指向误差要求。


3.根据权利要求1所述的基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，其特征在于，所述姿态机动能力约束分析步骤包括：
利用刚体动量矩定理，估算航天器跟踪上双矢量确定的三轴期望姿态所需要的角动量H(t)，根据航天器姿态机动执行机构配置是否满足角动量要求，确定角动量对双矢量夹角的约束Γ20；
根据刚体动量矩定理，估算航天器跟踪上双矢量确定的三轴期望姿态所需要的力矩M(t)，根据航天器姿态机动执行机构配置是否满足力矩要求，确定力矩对双矢量夹角的约束Γ21；
将约束Γ20和约束Γ21合成姿态机动能力对双矢量夹角的约束Γ2。


4.根据权利要求1所述的基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，其特征在于，所述双矢量包括地心矢量和太阳矢量。


5.根据权利要求4所述的基于约束分析的双矢量夹角限制范围确定方法，其特征在于，所述双矢量确定三轴姿态准则χ包括：X轴根据Y、Z轴由右手定则确定，当地心矢量和太阳矢量平行时，偏航姿态发生180°翻转的现象。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，边志强，何益康，陆国平，韩旭，陈祥，洪振强，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31