專利名稱：一種基于多速率敏感器組合定姿的姿控反饋回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多速率敏感器組合定姿的姿控反饋回路，屬于航天器姿態(tài)確 定領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為空間環(huán)境探測(cè)的主要手段，衛(wèi)星技術(shù)研究尤為重要，各國(guó)都投入了大量的人 力物力進(jìn)行研究。隨著航天科技的發(fā)展，衛(wèi)星對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定指向或機(jī)動(dòng)控制能力要求越來越 高，系統(tǒng)功能也越來越復(fù)雜，運(yùn)行壽命要求更長(zhǎng)，衛(wèi)星的效能越來越高，開始具備執(zhí)行多任 務(wù)的能力?？傮w上講，多任務(wù)、高精度、長(zhǎng)壽命、高可靠性的衛(wèi)星已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。衛(wèi)星系統(tǒng)中最重要的技術(shù)之一是姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它主要包括姿態(tài)確定與姿 態(tài)控制。姿態(tài)確定是研究衛(wèi)星相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)的姿態(tài)定位，姿態(tài)控制是指衛(wèi)星在規(guī)定或預(yù) 先確定的方向上定向的過程。隨著對(duì)衛(wèi)星高精度、長(zhǎng)壽命、高可靠性的要求不斷提高，對(duì)于 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性要求越來越高，而提高姿態(tài)控制的前提是提高衛(wèi)星姿態(tài) 確定的精度。衛(wèi)星姿態(tài)確定的精度，不僅取決于各敏感器的精度，還與姿態(tài)確定算法有關(guān)。 為了保證姿態(tài)確定算法的正確性、有效性，降低衛(wèi)星研制風(fēng)險(xiǎn)，需要通過大量的地面仿真實(shí) 驗(yàn)對(duì)姿態(tài)確定算法進(jìn)行驗(yàn)證。目前，衛(wèi)星上所用姿態(tài)敏感器的輸出頻率不同，即具有多速率 特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是針對(duì)衛(wèi)星上所用敏感器輸出頻率不同的問題，利用多 尺度分析方法進(jìn)行姿控反饋回路中多速率敏感器組合定姿建模，在降低組合定姿復(fù)雜性的 同時(shí)，提高定姿精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于多速率敏感器組合定姿的姿控反饋回路，由 姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)(4)、基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)(5)和姿態(tài)控制子系統(tǒng)(6)組 成。各子系統(tǒng)如下1、姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)輸出具有多速率特性的測(cè)量信息姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)(4)包括陀螺(1)、太陽(yáng)敏感器(2)和磁強(qiáng)計(jì)(3)，陀螺(1)、太 陽(yáng)敏感器(2)和磁強(qiáng)計(jì)(3)分別產(chǎn)生衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角速度、本 體坐標(biāo)系下的太陽(yáng)矢量和地磁矢量。陀螺、太陽(yáng)敏感器和磁強(qiáng)計(jì)輸出測(cè)量信息的頻率不同， 其中陀螺和太陽(yáng)敏感器的輸出頻率是磁強(qiáng)計(jì)輸出頻率的兩倍，即姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)4輸出 的測(cè)量信息具有多速率特性。2、基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)估計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)(5)以四元數(shù)和陀螺漂移為狀態(tài)變量；基于姿 態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和陀螺數(shù)學(xué)模型建立姿態(tài)確定狀態(tài)方程；基于太陽(yáng)敏感器和磁強(qiáng)計(jì)的觀測(cè)信息， 利用多尺度分析方法建立衛(wèi)星姿態(tài)確定子系統(tǒng)的多尺度模型；最后在多尺度建模的基礎(chǔ)上 利用UKF濾波算法，將姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)(4)輸出的具有多速率特性的測(cè)量信息進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星姿態(tài)角的估計(jì)，將衛(wèi)星姿態(tài)角輸出給姿態(tài)控制子系統(tǒng)(6)。3、姿態(tài)控制子系統(tǒng)控制衛(wèi)星姿態(tài)姿態(tài)控制子系統(tǒng)(6)包括姿態(tài)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分。姿態(tài)控制子系統(tǒng)(6) 根據(jù)期望姿態(tài)角與基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)(5)估計(jì)的姿態(tài)角之間的偏差，通過 姿態(tài)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制，再經(jīng)過衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型輸出衛(wèi) 星控制后的姿態(tài)信息，最后將姿態(tài)信息輸出到姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)(4)，從而形成姿控反饋回路。本發(fā)明的原理是衛(wèi)星姿態(tài)控制反饋回路主要由姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)、姿態(tài)確定子 系統(tǒng)、姿態(tài)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)用于輸出多速率姿態(tài)測(cè)量信息，并基 于這些信息，利用多尺度方法估計(jì)出當(dāng)前姿態(tài)角；姿態(tài)控制器根據(jù)期望姿態(tài)角與估計(jì)出的 當(dāng)前姿態(tài)角之間的偏差產(chǎn)生控制信息，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制衛(wèi)星姿態(tài)，最后通過衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng) 力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出被控制后的姿態(tài)角，并反饋到姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)中，從而形成姿控反 饋回路。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于利用多尺度分析方法，建立姿控反饋回路中 姿態(tài)確定子系統(tǒng)的多尺度系統(tǒng)模型，在降低組合定姿復(fù)雜性的同時(shí)，提高定姿精度。


圖1為本發(fā)明的一種基于多速率敏感器組合定姿的姿控反饋回路框圖；
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的仿真回路由姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)4、基于多尺度建模的姿態(tài)確 定子系統(tǒng)5和姿態(tài)控制子系統(tǒng)6組成。具體如下1)、姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)輸出具有多速率特性的測(cè)量信息姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)4包括陀螺1、太陽(yáng)敏感器2和磁強(qiáng)計(jì)3，分別產(chǎn)生本體坐標(biāo)系 相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角速度、衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的太陽(yáng)矢量和地磁矢量。陀螺、太陽(yáng)敏 感器和磁強(qiáng)計(jì)輸出測(cè)量信息的頻率不同，其中陀螺和太陽(yáng)敏感器的輸出頻率是磁強(qiáng)計(jì)輸出 頻率的兩倍，即姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)4輸出的測(cè)量信息具有多速率特性。a.陀螺測(cè)量信息的產(chǎn)生陀螺1輸出的本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角速度，其產(chǎn)生數(shù)據(jù)的具體步 驟如下①由歐拉角微分方程計(jì)算本體坐標(biāo)系相對(duì)于軌道坐標(biāo)系的角速度設(shè)衛(wèi)星由軌道坐標(biāo)系到本體坐標(biāo)系按Z-X-Y順序旋轉(zhuǎn)，令ρ、θ和ψ分別為橫滾 角、俯仰角和偏航角。根據(jù)歐拉角微分方程可得衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)于軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)
角速度ωb ob為
權(quán)利要求
1.一種基于多速率敏感器組合定姿的姿控反饋回路，其特征在于由姿態(tài)敏感器子系 統(tǒng)(4)、基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)(5)和姿態(tài)控制子系統(tǒng)(6)組成，其中①姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)(4)包括陀螺(1)、太陽(yáng)敏感器(2)和磁強(qiáng)計(jì)(3)，陀螺(1)、太陽(yáng) 敏感器(2)和磁強(qiáng)計(jì)(3)分別產(chǎn)生衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角速度、本體 坐標(biāo)系下的太陽(yáng)矢量和地磁矢量；陀螺、太陽(yáng)敏感器和磁強(qiáng)計(jì)輸出測(cè)量信息的頻率不同，其 中陀螺和太陽(yáng)敏感器的輸出頻率是磁強(qiáng)計(jì)輸出頻率的兩倍，即姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)(4)輸出 的測(cè)量信息具有多速率特性；②基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)(5)用于估計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)角，先利用多尺度分析方 法建立衛(wèi)星姿態(tài)確定子系統(tǒng)多尺度模型，然后在多尺度建模的基礎(chǔ)上利用UKF濾波算法， 將姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)(4)輸出的具有多速率特性的測(cè)量信息進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星姿 態(tài)角的估計(jì)，最后將衛(wèi)星姿態(tài)角輸出給姿態(tài)控制子系統(tǒng)(6)；③姿態(tài)控制子系統(tǒng)(6)根據(jù)期望姿態(tài)角與基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)(5)估計(jì) 的姿態(tài)角之間的偏差，通過姿態(tài)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制，再經(jīng)過衛(wèi)星動(dòng)力 學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型輸出衛(wèi)星控制后的姿態(tài)信息，最后將姿態(tài)信息輸出到姿態(tài)敏感器子系 統(tǒng)(4)，從而形成姿控反饋回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多速率敏感器組合定姿的姿控反饋回路，其特征在 于所述基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)(5)利用多尺度分析方法建立衛(wèi)星姿態(tài)確定子 系統(tǒng)多尺度模型的過程如下a.多尺度狀態(tài)空間投影以四元數(shù)和陀螺漂移為狀態(tài)變量，X=[q。Q1 q2 Q3 bx by bj T，其中如和^ =[名q2 分別為四元數(shù)的標(biāo)量部分和矢量部分，b = [bx by bz]T為陀螺 XYZ三個(gè)軸上的漂移，狀態(tài)變量的維數(shù)Nx = 7 ；由于陀螺和太陽(yáng)敏感器的輸出頻率是磁強(qiáng)計(jì) 輸出頻率的兩倍，則太陽(yáng)敏感器對(duì)應(yīng)于細(xì)尺度，即尺度1，磁強(qiáng)計(jì)對(duì)應(yīng)于粗尺度，即尺度2 ； 設(shè)ΔΤ為磁強(qiáng)計(jì)的輸出周期，ΔΤ時(shí)間間隔內(nèi)兩個(gè)尺度上的狀態(tài)稱為一個(gè)狀態(tài)塊，測(cè)量稱為 一個(gè)數(shù)據(jù)塊；用η表示第η個(gè)時(shí)間塊，即第η Δ T時(shí)間間隔；Xl (2η)和X1 (2η+1)表示第η Δ T 時(shí)間間隔內(nèi)尺度1上兩個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，x2 (η)表示第η Δ T時(shí)間間隔內(nèi)尺度2上的狀態(tài)； 姿態(tài)確定子系統(tǒng)的多尺度狀態(tài)結(jié)構(gòu)滿足二叉樹結(jié)構(gòu)，基于Haar小波，尺度2上的狀態(tài)χ2 (η) 與尺度1上的狀態(tài)X1 (2η)和Xl(2n+1)的狀態(tài)空間投影關(guān)系為x2 ( ) = [^X^j (^i + +1))(1)；b.建立多尺度狀態(tài)方程基于Haar小波的姿態(tài)確定子系統(tǒng)多尺度狀態(tài)方程為「廠(《 + 1,0)]、xO + 1)=(2)其中χ, (2n + 2)3c( + l)= 1(3)χ, (2n + 3)F (n+1,0) = f (X1 (2n+l)) +w (2n+l)(4)F (n+1，1) = f [f (X1 (2n+l)) +w (2n+l) ] +w (2n+2) (5)式中，X1 (2n+2)和X1 (2n+3)表示第(η+1) ΔΤ時(shí)間間隔內(nèi)尺度1上兩個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的狀 態(tài)；
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多速率敏感器組合定姿的姿控反饋回路，該回路包括姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)、基于多尺度建模的姿態(tài)確定子系統(tǒng)和姿態(tài)控制子系統(tǒng)。姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)由陀螺、太陽(yáng)敏感器和磁強(qiáng)計(jì)組成，輸出具有多速率特性的姿態(tài)測(cè)量信息；姿態(tài)確定子系統(tǒng)利用多尺度分析方法對(duì)各敏感器的測(cè)量信息在不同尺度上進(jìn)行描述，基于所建立的多尺度模型對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)角進(jìn)行估計(jì)；姿態(tài)控制子系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制，并將控制后的姿態(tài)信息反饋到姿態(tài)敏感器子系統(tǒng)，從而形成姿態(tài)控制回路。本發(fā)明的姿控反饋回路利用多尺度分析方法進(jìn)行了多尺度建模，在降低組合定姿過程的復(fù)雜性的同時(shí)，提高了姿態(tài)確定精度。
文檔編號(hào)B64G1/36GK102114918SQ201010623898
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者全偉, 崔培玲, 張會(huì)娟, 張翠, 房建成 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)