一種皮納衛(wèi)星的模塊化姿態(tài)確定與控制裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于皮納衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種皮納衛(wèi)星的模塊化姿態(tài)確定與控制 裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 皮納衛(wèi)星領(lǐng)域飛速發(fā)展，各單位、高校爭相進入皮納衛(wèi)星領(lǐng)域，作為一個新興產(chǎn) 業(yè)，它擁有廣闊的市場前景。在單位企業(yè)里，微小衛(wèi)星以其實現(xiàn)成本低，設(shè)計時間周期短等 的快速響應(yīng)能力應(yīng)用在應(yīng)急通信、空間組網(wǎng)等領(lǐng)域。在高校教育中，其低成本、高集成的特 性使得皮納衛(wèi)星可以很好的融入創(chuàng)新與學(xué)習(xí)，對學(xué)生的發(fā)展很有幫助，所以被很多大學(xué)所 重視。當下已有多所大學(xué)的小衛(wèi)星發(fā)射成功。
[0003] 皮納衛(wèi)星的姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)（Attitude Determination and Control System簡寫為ADCS)為小衛(wèi)星提供姿態(tài)控制能力，它由姿態(tài)敏感器、姿態(tài)控制執(zhí)行器與姿控 計算機組成。姿態(tài)敏感器配合姿控計算機可以提供衛(wèi)星姿態(tài)信息，通過姿控計算機對陀螺 儀、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(GNSS)和磁強計、太陽敏感器、星敏感器等姿態(tài)敏感器采集的信息進行 處理，解算出當前衛(wèi)星的姿態(tài)，為姿態(tài)控制提供保障。姿態(tài)控制執(zhí)行器是姿態(tài)控制算法的執(zhí) 行機構(gòu)，主要包括反作用飛輪、磁力矩器和微推進器等，通過姿控計算機中運行的姿態(tài)控制 算法真正實現(xiàn)小衛(wèi)星的姿態(tài)控制。姿控計算機提供姿態(tài)確定、姿態(tài)控制以及數(shù)據(jù)存儲功能， 皮納衛(wèi)星種類多樣，外形多樣，結(jié)構(gòu)多樣，根據(jù)用戶的需求設(shè)計不同的皮納衛(wèi)星上。
[0004] 現(xiàn)在已經(jīng)研制成功并試飛成功的一些皮納衛(wèi)星，由于體積和功耗相比于IOOkg級 小衛(wèi)星又降低了 1到2個數(shù)量級，所以只有很少部分擁有姿態(tài)確定與控制功能，擁有ADCS的， 也都是針對自己研制的小衛(wèi)星，量身定做，集成在系統(tǒng)內(nèi)部，重新研制小衛(wèi)星時需要再次研 制其ADCS，沒有移植性，并且無法接入其他單位制作的小衛(wèi)星中。即使有可以應(yīng)用在其他衛(wèi) 星上的ADCS，也必須是經(jīng)過硬件修改之后才可以。歸結(jié)就是沒有通用的接口設(shè)計，或者沒有 自己的處理器，需要其他使用衛(wèi)星的處理器，這樣對星務(wù)軟件的獨立設(shè)計又提出了巨大要 求。這些ADCS很難在著眼于皮納衛(wèi)星其他領(lǐng)域應(yīng)用的企業(yè)和高校中推廣，無法為其制造便 捷的解決方案。這就使得皮納衛(wèi)星的研制周期加長，影響研究課題的進度?，F(xiàn)在國內(nèi)沒有針 對皮納衛(wèi)星的模塊化通用ADCS產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種皮納衛(wèi)星的模塊化姿態(tài)確定與控制裝置及其方法，該裝 置為模塊化設(shè)計提高了其通用性。
[0006] 為達到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0007] 方案一：
[0008] -種皮納衛(wèi)星的模塊化姿態(tài)確定與控制裝置，其特征在于:包括用于測定皮納衛(wèi) 星姿態(tài)的姿態(tài)敏感單元，用于根據(jù)皮納衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)出命令信號的姿控計算機，用于執(zhí)行姿 控計算機發(fā)出的命令的姿態(tài)控制執(zhí)行單元；
[0009] 所述姿態(tài)敏感單元包含用于測量皮納衛(wèi)星在慣性系下的角速度的陀螺儀，用于測 量衛(wèi)星本體坐標系下地磁場矢量的磁強計，用于測量衛(wèi)星本體坐標系下太陽矢量的太陽敏 感器，用于測量皮納衛(wèi)星的位置信息的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，所述姿控計算機的四個輸入端分 別對應(yīng)電連接所述陀螺儀的輸出端、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的輸出端、磁強計的輸出端、太陽敏感 器的輸出端；
[0010] 所述姿態(tài)控制執(zhí)行單元包含磁力矩器驅(qū)動單元，用于完成對皮納衛(wèi)星實時姿態(tài)控 制的磁力矩器，所述姿控計算機的輸出端電連接磁力矩器驅(qū)動單元的輸入端，所述磁力矩 器驅(qū)動單元的輸出端電連接磁力矩器的控制端。
[0011]上述技術(shù)方案的特點和進一步改進：
[0012] 進一步的，所述姿態(tài)敏感單元還包含溫度傳感器和模擬量電流傳感器，所述溫度 傳感器的輸出端和模擬量電流傳感器的輸出端對應(yīng)電連接所述姿控計算機的兩個輸入端。
[0013] 進一步的，所述姿態(tài)敏感單元、姿控計算機和姿態(tài)控制執(zhí)行單元設(shè)置在外殼內(nèi)，所 述外殼的底部設(shè)置為開口狀，所述外殼的下底面設(shè)置有向外延伸的折彎面，所述折彎面上 設(shè)置有多個通孔，所述外殼的側(cè)壁上設(shè)置有供電接口。
[0014] 進一步的，所述外殼內(nèi)還設(shè)置有5V升壓模塊和3.3V穩(wěn)壓模塊，所述供電接口與5V 升壓模塊電連接，所述3.3V穩(wěn)壓模塊與5V升壓模塊電連接。
[0015]進一步的，所述供電接口為J30J-9ZKW-J接口，所述磁力矩器為三軸磁力矩器，所 述姿控計算機采用單片微型計算機。
[0016]方案二：
[0017] 一種皮納衛(wèi)星的姿態(tài)確定與控制方法，基于上述皮納衛(wèi)星的模塊化姿態(tài)確定與控 制裝置，其特征在于:包括以下步驟，
[0018] 步驟一，定義衛(wèi)星本體坐標系為0bxyz，參考坐標系為軌道坐標系Ooxyz，太陽矢量 和地磁場矢量在0〇xyz中分別為Si、S2,太陽矢量和地磁場矢量在Obxyz中分別為si's2%
[0019] 步驟二，皮納衛(wèi)星進入任務(wù)設(shè)定軌道后，在姿控計算機內(nèi)預(yù)存有皮納衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn) 角度的設(shè)置閾值A(chǔ) w，陀螺儀實時測量皮納衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角度w，旋轉(zhuǎn)角度w大于姿控計算機內(nèi) 的設(shè)置閾值A(chǔ) w，啟動姿態(tài)消旋控制對皮納衛(wèi)星進行消旋處理，直至旋轉(zhuǎn)角度w小于等于姿 控計算機內(nèi)的設(shè)置閾值A(chǔ) w后，進入姿態(tài)確定和姿態(tài)捕獲控制的循環(huán)階段。
[0020] 上述技術(shù)方案的特點和進一步改進：
[0021] (1)進一步的，所述消旋處理通過B-dot方法對皮納衛(wèi)星進行速率阻尼，
[0022] B-dot方法的計算式為：
[0023] M6 = -Mb,
[0024]式中，Mb為衛(wèi)星輸出磁矩，
[0025] K為消旋控制率，
[0026] Bb為地磁場矢量在衛(wèi)星本體坐標系中的投影，通過磁強計測量得到，
[0027] 式為說的變化率，
[0028]則，磁力矩器輸出消旋力矩對皮納衛(wèi)星進行消旋處理，磁力矩器輸出的消旋力矩 C 為:C ?。
[0029] (2)進一步的，所述姿態(tài)確定的過程為，
[0030] 設(shè)S3 = SI X S2，S3*= SI* X S2* ;令SI、S2、S3三個矢量組成矩陣S的三列
[0031] S= (Si S2 S3)，
[0032] 令矩陣s*為P 二 C5I 名.?'),
[0033] 則有
[0034] AMb為軌道坐標系到本體坐標系的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，
[0035] S、S*不共線，矩陣S可逆，Ac^ = St1,
[0036] 根據(jù)姿態(tài)動力學(xué)中姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣Aeb與歐拉角的轉(zhuǎn)換關(guān)系反推歐拉角的值為：
[0037]
[0038] 式中，a21代表姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣AMb當中2行1列的元素，an代表姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣AMb當中 1行1列的元素，a31代表姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣Ah當中3行1列的元素 a32代表姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣Ah當中3 行2列的元素，a33代表姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣Ad當中3行3列的元素;從而完成姿態(tài)確定。
[0039] (3)進一步的，所述姿態(tài)捕獲控制采用ro控制，
[0040] 設(shè)期望磁控力矩T。：
[0041]
[0042] 式中:Kp為比例參數(shù)，
[0043] Kd為微分參數(shù)，
[0044] Θ為余仰角，Θ = 90°-δδ為衛(wèi)星的赤煒；
[0045] 4為余仰角速度，
[0046]期望磁控力矩Tc的三軸分量為TcxJc^Tcz，將期望磁控力矩T c的三軸分量Tcx、Tcy、 Tcz大小按照順序排列有如下六種排列方式：
[0047] Tcx>Tcy>Tcz、Tcx>T cz>Tcy、Tcy>Tcx>T cz、Tcy>Tcz>Tcx、Tcz>T cx>Tcy、Tcz>Tcy> T cx，
[0048] 通過公式Tc = Cr〇SS(M，Bb)，在不同排列方式下可以分別解得一組衛(wèi)星輸出磁矩M (i)：
[0049] M(i) = [mxi、myi、mzi]，
[0050] 其中，i = l、2、3、4、5、6，
[00511 mxi為衛(wèi)星輸出磁矩M(i)在衛(wèi)星本體坐標系中x軸上的分量，
[0052] myi為衛(wèi)星輸出磁矩M(i)在衛(wèi)星本體坐標系中y軸上的分量，
[0053] mzi為衛(wèi)星輸出磁矩M(i)在衛(wèi)星本體坐標系中z軸上的分量，
[0054] 則：Tb(i)=M(i) XBb，
[0055] 式中，Tb(i)為每一種可能性下的實際能輸出的力矩；
[0056] 設(shè) dis(i)=||TcHTb(i)||，
[0057] 使得dis (i)最小的衛(wèi)星輸出磁矩M( i)為最優(yōu)衛(wèi)星輸出磁矩M，
[0058]則，磁力矩器輸出姿態(tài)捕獲控制力矩對皮納衛(wèi)星進行姿態(tài)捕獲控制處理，磁力矩 器輸出的姿態(tài)捕獲控制力矩Tb為：
[0059] Tb = cross(M，Bb'），
[0060] 其中，Bb'為衛(wèi)星本體坐標系中地磁場矢量量測值。
[0061 ] (4)進一步的，在六種不同排列方式下，所述衛(wèi)星輸出磁矩M( i)的計算過程如下：
[0062] Bb 的三軸分量為 Bbx、Bby、Bbz，
[0063] Tcy>Tcx>Tcz 時：
[0064] 在 I Bbx I > I Bbz I 的狀態(tài)下，設(shè)mz = Tcy/Bbx，然后判斷是否 |mz I >mmax，若 |mz I >mmax為 否，則Ι?ζ - Π?ζ且Hlx - 0，右 I Π?ζ I〉fflmax為疋，則設(shè)Π?ζ - Sigll (Π?ζ )!Umax且Π?χ - _( Tcx-IIlzBbx) /Bbz ;再?丨J 斷是否 |mx| >mmax，若 |mx| >mmax為是，則mx = sign(mx)mmax，若 |mx| >mmax為否，則mx=mx;
[0065] 在 |Bbx| < |Bbz I 的狀態(tài)下，設(shè)mx=-TCy/Bbz，然后判斷是否 |mx| >mmax，若 |mx| >mmax為 否，則mx=mx且mz = 0，若 I mx I > mmax為是，則設(shè)nix = s i gn (mz) mmax且mz = (TCy-mxBbz) /Bbx，再判斷 是否 |mz I >mmax，若 |mz I >mmax為是，則mz = sign(mz)mmax，若 |mz I >mmax為否，則mz=mz; Tx+m.Mln.
[0066] 然后計算my，Wv .=-:--.再判斷是否 |my I >mmax，若 |my I >mmax為是，則rny = %.z： S ign (niy )mmax，右* I Hly I〉ITlinax力J ，貝丨Jniy -ITly ；
[0067] Tcz>Tcy>TcJ寸：
[0068] 在 I Bby I > I Bbx I 的狀態(tài)下，設(shè)mx = Tcz/Bby，