深空探测器星敏感器自主切换方法技术

本发明专利技术提供了一种深空探测器星敏感器自主切换方法，利用探测器轨道数据和当前探测器姿态数据，实时计算各星敏光轴矢量、器日矢量、探测器到目标天体矢量和目标天体张角，获取星敏光轴矢量与器日矢量夹角以及星敏光轴受目标天体遮挡情况的星敏数据；如果星敏数据可用，则继续使用当班星敏感器；如果星敏数据不可用，则更新姿态数据切换星敏感器。本发明专利技术利用探测器轨道和当前探测器姿态，实时计算各星敏受太阳照射、受目标天体遮挡情况，根据影响与否择优选择当班星敏，实现深空探测器姿控系统安全稳定的工作。统安全稳定的工作。统安全稳定的工作。

【技术实现步骤摘要】
深空探测器星敏感器自主切换方法


[0001]本专利技术涉及航天器姿态控制
，具体地，涉及一种深空探测器星敏感器自主切换方法。

技术介绍

[0002]深空探测器飞行过程包括脱离地球引力、进入巡航轨道或进入星地间转移轨道以及再入行星、绕飞行星，经历的空间环境变化巨大。探测器需多次变轨，分别绕行地球、太阳、目标天体飞行，且与目标天体的距离时刻变化。不同于常规地球卫星的姿控系统运行在稳定的对地模式，探测器需根据任务的需求，在对日、对地、对目标天体等多种目标姿态间进行切换，执行相应的姿态机动。深空探测器的星敏感器极易受到太阳、目标天体以及目标天体卫星的干扰，造成姿态输出数据错误，影响任务成败。目前星敏感器工作状态的识别主要采用单机自身对星空图像的处理，根据识别出有效导航星的数量来判断。
[0003]经过检索，专利文献CN104061928A公开了一种自主择优使用星敏感器信息的方法，包括以下步骤：对所有星敏感器分别进行自检信息判断、星敏感器输出信息与预估值一致性判断以及星敏感器之间的一致性判断，当星敏感器同时满足上述三个判断时，标记为有效星敏感器，否则为无效星敏感器；将上述有效星敏感器的时标统一到同一个时标下；并计算上述有效星敏感器两两之间测量的光轴、横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，根据误差的大小，给星敏感器记分；根据星敏感器的分数对星敏感器进行排序，若出现星敏感器分数相同，则进一步考虑分数相同星敏感器的遮光性能满足裕度、星敏感器之间光轴夹角标称大小进行排序；根据工程需要，按照排序顺序选择星敏感器信息。该现有技术依靠星敏单机自身对星图的识别能力，在外部环境有不确定干扰，如天体遮挡、太阳强光照射等因素时，星敏自身难以保证作出正确识别。
[0004]专利文献CN107765699A公开了一种地球静止轨道卫星具有筒形遮光罩相机实时阳光规避方法，包括如下步骤：步骤一、根据轨道信息计算太阳方向与轨道坐标系Z轴之间的夹角β，以及优化前的阳光规避偏置角；步骤二、确定抛物线A的轨迹：若dA>0，则A＝ax2+bx；否则，A保持不变；其中，抛物线自变量x＝α+Δ
‑
β；Δ表示选取的规避余量角，a、b分别表示抛物线系数；步骤三、计算优化后的相机安全角τ；步骤四、根据步骤三中计算出来的优化后的相机安全角τ，计算优化后的阳光规避偏置角。该现有技术仅适用于卫星工作在固定姿态基准的状态，如始终保持对地时才能进行阳光规避偏置角的设计，并无法适应姿态机动、模式切换的情况。
[0005]肖红光、李伟、刘京等在“基于光线跟踪的星敏感器视场仿真分析”(系统仿真学报，2014，26(11))中，设计了一套星敏在轨视场遮挡情况模拟系统，在系统中可以通过添加航天器三维模型以及轨道场景，输出星敏视场内所见的图像。但该方法仅能用于航天器前期星敏布局设计，无法在星上实时计算。
[0006]因此，亟需研发设计一种能够利用探测器轨道和当前探测姿态实时计算各星敏受太阳照射、受目标天体遮挡情况的系统及方法。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种深空探测器星敏感器自主切换方法，本专利技术根据工作环境进行星敏切换，用于深空探测器自主选择最优的姿态基准单机，防止错误姿态数据引入控制系统。
[0008]根据本专利技术提供的一种深空探测器星敏感器自主切换方法，利用探测器轨道数据和当前探测器姿态数据，实时计算各星敏光轴矢量、器日矢量、探测器到目标天体矢量和目标天体张角，获取星敏光轴矢量与器日矢量夹角以及星敏光轴受目标天体遮挡情况的星敏数据；如果星敏数据可用，则继续使用当班星敏感器；如果星敏数据不可用，则更新姿态数据切换星敏感器；
[0009]星敏光轴矢量是指星敏镜头指向的方向的量；器日矢量是指深空探测器与太阳的连线，深空探测器指向太阳的方向的量；探测器到目标天体矢量是指深空探测器到目标天体的连线，深空探测器指向目标天体的方向的量；目标天体张角是指站在深空探测器所在位置看目标天体，目标天体的大小用角度表示。
[0010]优选地，包括步骤S1：利用探测器轨道数据和当前探测器姿态数据，实时计算星敏光轴矢量、器日矢量在探测器本体系的投影、目标天体矢量在探测器本体系的投影和目标天体张角；探测器本体系是指探测器在生产过程中定义的坐标系，将探测器的质心作为坐标原点，质心指向发动机方向定为
‑
x轴或
‑
z轴，质心指向帆板方向定为+y轴。
[0011]优选地，还包括步骤S2：通过星敏光轴矢量和器日矢量实时计算星敏光轴矢量与器日矢量夹角θ
st
‑
s
，通过星敏光轴矢量与探测器到目标天体矢量实时计算星敏光轴与探测器到目标天体矢量夹角θ
st
‑
m
。
[0012]优选地，还包括步骤S3：如果当前太阳进入了星敏传感器的太阳保护角范围内并且星敏传感器未受到目标天体遮挡，则继续使用当班星敏传感器；如果当前太阳未进入星敏传感器的太阳保护角范围内并且星敏传感器已经受到目标天体遮挡，则对当班星敏传感器进行切换，选择其它符合要求的星敏传感器引入控制闭环。
[0013]优选地，步骤S1中的星敏光轴矢量通过使用上一拍的探测器的惯性姿态C
bi
，计算星敏光轴在惯性系投影V
sti
；通过使用轨道计算探测器在日心惯性系下的位置，得到惯性系下的器日矢量V
ss
；根据时间计算目标天体位置，得到探测器到目标天体的单位矢量V
s
‑
m
；
[0014]上一拍的探测器的惯性姿态C
bi
是每隔固定时间进行计算的，即上一次计算的数值；惯性系表示3个坐标轴方向确定了，坐标原点可以任意定义；日心惯性系表示坐标原点在太阳中心的惯性系。
[0015]优选地，目标天体的张角θ
g
，计算方法为：
[0016][0017]其中：R
m
为目标天体半径，d为探测器到天体中心距离。
[0018]优选地，步骤S2中实时计算星敏光轴与器日矢量的夹角θ
st
‑
s
，计算公式为：
[0019]θ
st
‑
s
＝arc cos(V
sti
*V
ss
)
[0020]其中，V
sti
指星敏光轴在惯性系投影，V
ss
指惯性系下的器日矢量。
[0021]优选地，步骤S2中判断太阳是否进入了星敏传感器的太阳保护角范围内，用于识别星敏感器在轨工作环境，判断方法为：
[0022][0023]其中，θ
p
为星敏保护角门限。
[0024]优选地，通过实时计算星敏光轴与探测器到目标天体矢量的夹角θ
st
‑
m
，计算公式为
[0025]θ
st
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深空探测器星敏感器自主切换方法，其特征在于，利用探测器轨道数据和当前探测器姿态数据，实时计算各星敏光轴矢量、器日矢量、探测器到目标天体矢量和目标天体张角，获取星敏光轴矢量与器日矢量夹角以及星敏光轴受目标天体遮挡情况的星敏数据；如果星敏数据可用，则继续使用当班星敏感器；如果星敏数据不可用，则更新姿态数据切换星敏感器；所述星敏光轴矢量是指星敏镜头指向的方向的量；所述器日矢量是指深空探测器与太阳的连线，深空探测器指向太阳的方向的量；所述探测器到目标天体矢量是指深空探测器到目标天体的连线，深空探测器指向目标天体的方向的量；所述目标天体张角是指站在深空探测器所在位置看目标天体，目标天体的大小用角度表示。2.根据权利要求1所述的深空探测器星敏感器自主切换方法，其特征在于，包括步骤S1：利用探测器轨道数据和当前探测器姿态数据，实时计算星敏光轴矢量、器日矢量在探测器本体系的投影、目标天体矢量在探测器本体系的投影和目标天体张角；所述探测器本体系是指探测器在生产过程中定义的坐标系，将探测器的质心作为坐标原点，质心指向发动机方向定为
‑
x轴或
‑
z轴，质心指向帆板方向定为+y轴。3.根据权利要求2所述的深空探测器星敏感器自主切换方法，其特征在于，还包括步骤S2：通过星敏光轴矢量和器日矢量实时计算星敏光轴矢量与器日矢量夹角θ
st
‑
s
，通过星敏光轴矢量与探测器到目标天体矢量实时计算星敏光轴与探测器到目标天体矢量夹角θ
st
‑
m
。4.根据权利要求1所述的深空探测器星敏感器自主切换方法，其特征在于，还包括步骤S3：如果当前太阳进入了星敏传感器的太阳保护角范围内并且星敏传感器未受到目标天体遮挡，则继续使用当班星敏传感器；如果当前太阳未进入星敏传感器的太阳保护角范围内并且星敏传感器已经受到目标天体遮挡，则对当班星敏传感器进行切换，选择其它符合要求的星敏传感器引入控制闭环。5.根据权利要求2所述的深空探测器星敏感器自主切换方法，其特征在于，所述步骤S1中的星敏光轴矢量通过使用上一拍的探测器的惯性姿态C
bi
，计算星敏光轴在惯性系投影V
sti
；通过使用轨道计算探测器在日心惯性系下的位置，得到惯性系下的器日矢量V
ss
；根据时间计算目标天体位置，得到探测器到目标天体的单位矢量V
s<...

【专利技术属性】
技术研发人员：信思博，朱新波，褚英志，王伟，洪振强，吕旺，李绿萍，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：