一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法包括：（1）通過陀螺獲取衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度；（2）判斷角速度是否在第一閾值范圍之內(nèi)，若不在，通過磁力矩器進(jìn)行速率阻尼，以使角速度調(diào)整至第一閾值范圍之內(nèi)；（3）通過磁敏感器獲取一太陽矢量；（4）判斷衛(wèi)星帆板法線與太陽矢量的夾角是否在一第二閾值范圍，若不在，通過動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使夾角調(diào)整至第二閾值范圍之內(nèi)；（5）通過磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角；（6）判斷姿態(tài)角是否在第三閾值范圍之內(nèi)，若不在，通過動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使姿態(tài)角調(diào)整至第三閾值范圍之內(nèi)；（7）通過星敏感器獲取衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信息。
【專利說明】一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法及其裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天姿態(tài)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說，是一種基于磁敏感器和星敏感器 的全姿態(tài)捕獲方法及其裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星在運(yùn)行過程中由于某種未知原因使其姿態(tài)發(fā)生異常，為了避免衛(wèi)星失控，衛(wèi) 星啟用全姿態(tài)捕獲模式，以保證衛(wèi)星的安全性。在姿態(tài)捕獲階段，采用一個(gè)全視場有效的敏 感器對姿態(tài)捕獲任務(wù)的完成是非常有必要的。另外能夠獲得精確的姿態(tài)信息，提供高精度 的敏感器也是必須的。目前全姿態(tài)捕獲方法大多數(shù)是采用太陽敏感器測量姿態(tài)信息，但是 其會受到視場角（即指敏感器能夠觀察到的范圍角度）和地影區(qū)的限制，因此，當(dāng)全姿態(tài)捕 獲模式需要在地影區(qū)實(shí)現(xiàn)或超出太陽敏感器的視場角時(shí)，敏感器信息就無效了，于是不能 完成姿態(tài)捕獲任務(wù)，若衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)生翻滾，則會對衛(wèi)星的安全構(gòu)成威脅。
[0003] 有鑒于此，亟需提供一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法及其裝置， 以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠度的全姿態(tài)捕獲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提供一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法，其能 夠在衛(wèi)星姿態(tài)失控時(shí)，需要地面指令或者衛(wèi)星自主啟用全姿態(tài)捕獲模式，并且使衛(wèi)星恢復(fù) 至正常姿態(tài)。另外所述方法采用磁敏感器和星敏感器測量衛(wèi)星的姿態(tài)信息，以互補(bǔ)上述兩 種敏感器的優(yōu)缺點(diǎn)，從而提升測量衛(wèi)星姿態(tài)的精度，以保證衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法， 包括以下步驟：（1)通過一陀螺獲取衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度；（2)判斷所述角速度是否在第一 閾值范圍之內(nèi)，若所述角速度不在所述第一閾值范圍之內(nèi)，則通過一磁力矩器進(jìn)行速率阻 尼，以使所述角速度調(diào)整至所述第一閾值范圍之內(nèi)；（3)通過一磁敏感器測量地球磁場強(qiáng) 度矢量以解算獲取一太陽矢量；（4)判斷衛(wèi)星帆板法線與所述太陽矢量的夾角是否在一第 二閾值范圍，若所述夾角不在所述第二閾值范圍之內(nèi)，則通過一動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以 使所述夾角調(diào)整至所述第二閾值范圍之內(nèi)；（5)通過所述磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量 以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角；（6)判斷所述姿態(tài)角是否在一第三閾值范圍之內(nèi)，若所 述姿態(tài)角不在所述第三閾值范圍之內(nèi)，則通過所述動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述姿態(tài) 角調(diào)整至所述第三閾值范圍之內(nèi)；（7)通過一星敏感器獲取衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，以確定衛(wèi)星 的姿態(tài)信息。
[0006] 作為可選的技術(shù)方案，在步驟（6)和步驟（7)之間進(jìn)一步包括：（61)判斷一星敏感 器是否在一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)；（62)若在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出，則通過 動量輪的控制使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動，并返回執(zhí)行步驟（61)。
[0007] 作為可選的技術(shù)方案，在步驟（62)中，所述動量輪包括滾動軸和俯仰軸，所述滾動 軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第一轉(zhuǎn)角，所述俯仰軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無 輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第二轉(zhuǎn)角。
[0008] 作為可選的技術(shù)方案，在步驟（5)中，通過所述磁敏感器測量地球磁場矢量在衛(wèi) 星本體坐標(biāo)系的三個(gè)分量，并且根據(jù)所述三個(gè)分量通過一算法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球的姿態(tài) 角。
[0009] 作為可選的技術(shù)方案，在步驟（7)之后，進(jìn)一步包括：根據(jù)所述姿態(tài)信息和太陽矢 量，控制衛(wèi)星帆板對日定向。
[0010] 本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲裝置， 包括：一角速度獲取模塊，用于通過一陀螺獲取衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度；一角速度判斷模塊， 與所述角速度獲取模塊相連，用于判斷所述角速度是否在第一閾值范圍之內(nèi)；一角速度調(diào) 整模塊，與所述角速度判斷模塊相連，用于在所述角速度不在所述第一閾值范圍之內(nèi)，則通 過一磁力矩器進(jìn)行速率阻尼，以使所述角速度調(diào)整至所述第一閾值范圍之內(nèi)；一太陽矢量 獲取模塊，與所述角速度調(diào)整模塊相連，用于通過一磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以解 算獲取一太陽矢量；一夾角判斷模塊，與所述太陽矢量獲取模塊相連，用于判斷衛(wèi)星帆板法 線與所述太陽矢量的夾角是否在一第二閾值范圍；一夾角調(diào)整模塊，與所述夾角判斷模塊 相連，用于若所述夾角不在所述第二閾值范圍之內(nèi)，則通過一動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使 所述夾角調(diào)整至所述第二閾值范圍之內(nèi)；一姿態(tài)角獲取模塊，與所述角速度調(diào)整模塊相連， 用于通過所述磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角；一姿態(tài)角 判斷模塊，與所述姿態(tài)角獲取模塊相連，用于判斷所述姿態(tài)角是否在一第三閾值范圍之內(nèi)； 一姿態(tài)角調(diào)整模塊，與所述姿態(tài)角判斷模塊相連，用于若所述姿態(tài)角不在所述第三閾值范 圍之內(nèi)，則通過所述動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述姿態(tài)角調(diào)整至所述第三閾值范圍之 內(nèi)；一衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊，與所述姿態(tài)角調(diào)整模塊相連，用于通過一星敏感器獲取衛(wèi)星姿態(tài) 四元數(shù)，以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信息。
[0011] 作為可選的技術(shù)方案，所述裝置進(jìn)一步包括：一衛(wèi)星姿態(tài)判斷模塊，分別與一姿態(tài) 角調(diào)整模塊和一衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整模塊相連，用于判斷一星敏感器是否在一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一 衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)；所述衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整模塊，與衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊相連，用于若在所述預(yù)定時(shí) 間內(nèi)無輸出，則通過所述動量輪的控制使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動。
[0012] 作為可選的技術(shù)方案，所述動量輪包括滾動軸和俯仰軸，所述滾動軸用于在所述 預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第一轉(zhuǎn)角，所述俯仰軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一 第二轉(zhuǎn)角。
[0013] 作為可選的技術(shù)方案，所述姿態(tài)角獲取模塊進(jìn)一步包括：一磁場強(qiáng)度測量單元，用 于通過所述磁敏感器測量地球磁場矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的三個(gè)分量；一姿態(tài)角計(jì)算單 元，與所述磁場強(qiáng)度測量單元相連，用于根據(jù)所述三個(gè)分量通過算法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球 的姿態(tài)角。
[0014] 作為可選的技術(shù)方案，所述裝置進(jìn)一步包括：一控制模塊，與所述衛(wèi)星姿態(tài)獲取模 塊相連，用于根據(jù)所述姿態(tài)信息和太陽矢量，控制衛(wèi)星帆板對日定向。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在衛(wèi)星發(fā)生姿態(tài)異常時(shí)通過執(zhí)行全姿態(tài)捕獲方法，以保證衛(wèi) 星的安全性。該方法解決了衛(wèi)星在任何位置發(fā)生姿態(tài)異常時(shí)敏感器所采集的信息為無效的 難題。通過引入高精度的敏感器，提高在姿態(tài)捕獲過程中對衛(wèi)星姿態(tài)測量的精準(zhǔn)度。該方 法為全姿態(tài)捕獲模式提供一種全新的思路，增強(qiáng)衛(wèi)星的安全可靠性，有較好的工程應(yīng)用前 景和推廣價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明一實(shí)施例所述基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法的步驟 流程示意圖。
[0017] 圖2A是本發(fā)明一實(shí)施例所述基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲裝置的架構(gòu) 示意圖。
[0018] 圖2B是所述姿態(tài)角獲取模塊的架構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法 及其裝置的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說明。
[0020] 參見圖1所示，本發(fā)明提供一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法，包 括以下步驟：S110、通過一陀螺獲取衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度；S120、判斷所述角速度是否在第 一閾值范圍之內(nèi)，若所述角速度不在所述第一閾值范圍之內(nèi)，則通過一磁力矩器進(jìn)行速率 阻尼，以使所述角速度調(diào)整至所述第一閾值范圍之內(nèi)；S130、通過一磁敏感器測量地球磁場 強(qiáng)度矢量以解算獲取一太陽矢量；S140、判斷衛(wèi)星帆板法線與所述太陽矢量的夾角是否在 一第二閾值范圍，若所述夾角不在所述第二閾值范圍之內(nèi)，則通過一動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn) 動，以使所述夾角調(diào)整至所述第二閾值范圍之內(nèi)；S150、通過所述磁敏感器測量地球磁場強(qiáng) 度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角；S160、判斷所述姿態(tài)角是否在第三閾值范圍之內(nèi)， 若所述姿態(tài)角不在所述第三閾值范圍之內(nèi)，則通過所述動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述 姿態(tài)角調(diào)整至所述第三閾值范圍之內(nèi)；S170、通過一星敏感器獲取衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，以確定 衛(wèi)星的姿態(tài)信息；S180、根據(jù)所述姿態(tài)信息和太陽矢量，控制衛(wèi)星帆板對日定向。
[0021] 以下將對上述步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0022] S110、通過一陀螺獲取衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度。
[0023] 衛(wèi)星在運(yùn)行過程中，需要獲取衛(wèi)星的姿態(tài)信息。衛(wèi)星的姿態(tài)信息是指衛(wèi)星本體坐 標(biāo)系相對于軌道系的三軸姿態(tài)角。當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行正常時(shí)，衛(wèi)星的角速度和姿態(tài)角在預(yù)定閾值 范圍（例如第一閾值范圍和第三閾值范圍），則設(shè)置在衛(wèi)星上的各敏感器所輸出的信息為正 常。其中，敏感器包括磁敏感器、星敏感器、太陽敏感器等。而當(dāng)衛(wèi)星在運(yùn)行過程中由于某種 原因使得衛(wèi)星姿態(tài)異常，于是需要采用全姿態(tài)捕獲模式。由于目前全姿態(tài)捕獲模式多數(shù)是 采用太陽敏感器測量姿態(tài)信息，因而會受到視場角（是指敏感器所能夠觀察到的范圍角度） 和地影區(qū)的限制。當(dāng)全姿態(tài)捕獲模式需要在地影區(qū)實(shí)現(xiàn)或超出太陽敏感器的視場角時(shí)，太 陽敏感器的信息就無效了，不能完成姿態(tài)捕獲任務(wù)。因此，在本實(shí)施例中，通過步驟S110至 步驟S180的執(zhí)行以有效解決現(xiàn)有技術(shù)全姿態(tài)捕獲的問題。
[0024] 陀螺為一種用于測量角速度的敏感器。通過陀螺能夠獲得衛(wèi)星姿態(tài)的角速度。
[0025] 所述角速度是影響執(zhí)行全姿態(tài)捕獲的一重要因素。當(dāng)所述角速度較大時(shí)，會引起 衛(wèi)星翻滾，影響其安全性，當(dāng)角速度大于2° /s時(shí)，星敏感器會失效，并且角速度較大時(shí)也 會影響測量精度；當(dāng)所述角速度較小時(shí)，幾乎無影響。一般情況下，當(dāng)衛(wèi)星失控時(shí)，均為角速 度較大。當(dāng)衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，角速度幾乎為零。
[0026] S120、判斷所述角速度是否在第一閾值范圍之內(nèi)，若所述角速度不在所述第一閾 值范圍之內(nèi)，則通過一磁力矩器進(jìn)行速率阻尼，以使所述角速度調(diào)整至所述第一閾值范圍 之內(nèi)。
[0027] 為了保證能夠正確執(zhí)行全姿態(tài)捕獲，因此需要使所述角速度在第一閾值范圍內(nèi)。 當(dāng)衛(wèi)星不執(zhí)行任務(wù)時(shí)，默認(rèn)的角速度為零，誤差范圍+/-0.0Γ /s，角度范圍+/_3°，此處 均指三軸姿態(tài)角。當(dāng)所述角速度不在所述第一閾值范圍內(nèi)時(shí)，通過一磁力矩器進(jìn)行速度阻 尼。其中，磁力矩器用于在衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制系統(tǒng)中的直接動量控制、磁擾動補(bǔ)償或?yàn)榉?作用輪卸載提供動量。速度阻尼為是通過執(zhí)行部件(例如磁力矩器）的作用，使衛(wèi)星的角速 度減少。
[0028] S130、通過一磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以解算獲取一太陽矢量。
[0029] 若太陽敏感器無法獲取太陽矢量，則可以采用磁敏感器。由于磁敏感器的應(yīng)用范 圍廣泛，且無視場限制，因此可以通過磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以解算獲取一太陽 矢量。
[0030] S140、判斷衛(wèi)星帆板法線與所述太陽矢量的夾角是否在一第二閾值范圍，若所述 夾角不在所述第二閾值范圍之內(nèi)，則通過一動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述夾角調(diào)整至 所述第二閾值范圍之內(nèi)。
[0031] 當(dāng)所述夾角在第二閾值范圍（例如90度）之內(nèi)，則表示太陽捕獲完成，即衛(wèi)星進(jìn)入 對日定向模式。
[0032] S150、通過所述磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài) 角。
[0033] 由于磁敏感器的應(yīng)用范圍廣泛，且無視場限制，因此可以通過磁敏感器測量地球 磁場強(qiáng)度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角。所述姿態(tài)度是影響執(zhí)行全姿態(tài)捕獲的一重 要因素。當(dāng)所述姿態(tài)度較大時(shí)，超出任務(wù)范圍時(shí)，容易使衛(wèi)星翻滾，常規(guī)情況下，姿態(tài)角為 零。當(dāng)然，姿態(tài)角在不同任務(wù)段有不同的范圍。
[0034] 在本實(shí)施例中，進(jìn)一步通過所述磁敏感器測量地球磁場矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的 三個(gè)分量，并且根據(jù)所述三個(gè)分量通過一算法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球的姿態(tài)角。由于地球磁 場強(qiáng)度相對地球是固定的，即磁場中任一點(diǎn)磁場感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向是相對固定的，因 此，在磁敏感器不受視場限制的前提下，通過所述磁敏感器測量地球磁場矢量在衛(wèi)星本體 坐標(biāo)系的三個(gè)分量，并且根據(jù)所述三個(gè)分量通過一算法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球的姿態(tài)角。
[0035] S160、判斷所述姿態(tài)角是否在第三閾值范圍之內(nèi)，若所述姿態(tài)角不在所述第三閾 值范圍之內(nèi)，則通過所述動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述姿態(tài)角調(diào)整至所述第三閾值范 圍之內(nèi)。
[0036] 為了保證能夠正確執(zhí)行全姿態(tài)捕獲，因此需要使所述姿態(tài)角在預(yù)定的第三閾值范 圍內(nèi)。當(dāng)衛(wèi)星不執(zhí)行任務(wù)時(shí)，默認(rèn)的角度范圍+/_3°，此處均指三軸姿態(tài)角當(dāng)所述姿態(tài)角 不在所述第三閾值范圍內(nèi)時(shí)，通過一動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述姿態(tài)角調(diào)整至所述 第三閾值范圍之內(nèi)。
[0037] 雖然磁敏感器不受視場限制，能夠做到全天候的測量，以獲取姿態(tài)角或解算獲取 太陽矢量，但是由于其自身姿態(tài)精度相對較低，因此為了能夠獲取衛(wèi)星的精確姿態(tài)信息，在 此步驟中引入星敏感器。所述星敏感器雖然易受視場限制，但其自身姿態(tài)精度相對較高，于 是可以將星敏感器和磁敏感器兩者相結(jié)合，形成互補(bǔ)，能夠有效實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)捕獲的需求。
[0038] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，進(jìn)一步包括以下步驟：步驟S161 :判斷一星敏感器是否在 一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)；步驟S162 :若在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出，則通過動 量輪的控制使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動，并返回執(zhí)行步驟S161。
[0039] 當(dāng)所述磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量，并獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角后，即 磁敏感器獲得當(dāng)前磁場方向時(shí)，判斷星敏感器是否在一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一衛(wèi)星姿態(tài)四元 數(shù)。其中所述預(yù)定時(shí)間可以為600s，該預(yù)定時(shí)間不限于此。在其他實(shí)施例中，所述預(yù)定時(shí) 間可以為其他預(yù)定時(shí)間，只需要符合實(shí)際測量需求即可。若在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出，則通 過動量輪的控制使衛(wèi)星轉(zhuǎn)動。為了保證可靠性，采用多次采樣值判斷的方式，從而能夠避免 星敏感器的單次輸出數(shù)據(jù)誤判斷的情況，而在設(shè)定時(shí)間內(nèi)星敏感器的數(shù)據(jù)有效時(shí)才能夠充 分說明星敏感器正常輸出數(shù)據(jù)，姿態(tài)恢復(fù)正常。所述動量輪為一種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其能夠按照姿態(tài)控制系統(tǒng)的指令，提供合適的控制力矩，使衛(wèi)星發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而 改變衛(wèi)星姿態(tài)，校正衛(wèi)星的姿態(tài)偏差，或完成某種預(yù)定的姿態(tài)調(diào)整。所述動量輪包括滾動軸 和俯仰軸，所述滾動軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第一轉(zhuǎn)角，所述俯仰軸用于 在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第二轉(zhuǎn)角。在本實(shí)施中，第一轉(zhuǎn)角可以設(shè)定為55度，第 二轉(zhuǎn)角可以設(shè)定為10度，上述第一轉(zhuǎn)角和第二轉(zhuǎn)角不限于此，可以根據(jù)實(shí)際情況做相對調(diào) 整。在本實(shí)施例中，若在滾動軸轉(zhuǎn)動55度，俯視角轉(zhuǎn)動10度之后，且等待星敏感器在600 秒內(nèi)是否輸出信息（即衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù))，若仍然無輸出，則繼續(xù)通過動量輪的滾動軸和俯 視軸轉(zhuǎn)動相同的第一轉(zhuǎn)角和第二轉(zhuǎn)角，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動，直至星敏感器輸出衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)。
[0040] S170、通過一星敏感器獲取衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信息。
[0041] 當(dāng)星敏感器輸出衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，于是使用星敏感器定姿以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信 息，利用星敏感器的定姿精度高的特性，使得衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)到正常需要的狀態(tài)，從而完成全姿 態(tài)捕獲過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的全姿態(tài)捕獲，也避免衛(wèi)星姿態(tài)可能的翻轉(zhuǎn)，降低 衛(wèi)星所受到的安全威脅。
[0042] S180、根據(jù)所述姿態(tài)信息和太陽矢量，控制衛(wèi)星帆板對日定向。
[0043] 根據(jù)所述姿態(tài)和太陽矢量，控制衛(wèi)星帆板對日定向，從而保證能源供應(yīng)。對日定向 完成后，等待地面注入精確的軌道數(shù)據(jù)，利用星敏感器確定衛(wèi)星姿態(tài)，采用動量輪控制使衛(wèi) 星三軸穩(wěn)定的轉(zhuǎn)入期望的姿態(tài)。
[0044] 參見圖2A，本發(fā)明的另一目的，還提供一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕 獲裝置，包括：一角速度獲取模塊210、一角速度判斷模塊220、一角速度調(diào)整模塊230、一太 陽矢量獲取模塊240、一夾角判斷模塊250、一夾角調(diào)整模塊260、一姿態(tài)角獲取模塊270、一 姿態(tài)角判斷模塊280、一姿態(tài)角調(diào)整模塊290、一衛(wèi)星姿態(tài)判斷模塊2100、一衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整 模塊2110、一衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊2120和一控制模塊2130。
[0045] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述角速度獲取模塊210,用于通過一陀螺（圖中未示)獲取 衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度。通過陀螺的信息并且根據(jù)一算法能夠衛(wèi)星姿態(tài)的角速度。所述角速 度是影響執(zhí)行全姿態(tài)捕獲的一重要因素。當(dāng)所述角速度較大時(shí)，會引起衛(wèi)星翻滾，影響其安 全性，當(dāng)角速度大于2° /s時(shí)，星敏感器會失效，并且角速度較大時(shí)也會影響測量精度；當(dāng) 所述角速度較小時(shí)，幾乎無影響。一般情況下，當(dāng)衛(wèi)星失控時(shí)，均為角速度較大。當(dāng)衛(wèi)星穩(wěn) 定運(yùn)行時(shí)，角速度幾乎為零。
[0046] 所述角速度判斷模塊220,與所述角速度獲取模塊210相連，用于判斷所述角速度 是否在第一閾值范圍之內(nèi)。為了保證能夠正確執(zhí)行全姿態(tài)捕獲，因此需要使所述角速度在 預(yù)定的第一閾值范圍內(nèi)。當(dāng)衛(wèi)星不執(zhí)行任務(wù)時(shí)，默認(rèn)的角速度為零，誤差范圍+/-0.0Γ / s，角度范圍+/_3°，此處均指三軸姿態(tài)角。
[0047] 所述角速度調(diào)整模塊230,與所述角速度判斷模塊220相連，用于在所述角速度不 在所述第一閾值范圍之內(nèi)，則通過一磁力矩器（圖中未示）進(jìn)行速率阻尼，以使所述角速度 調(diào)整至所述第一閾值范圍之內(nèi)。當(dāng)所述角速度不在所述第一閾值范圍內(nèi)時(shí)，通過一磁力矩 器進(jìn)行速度阻尼。其中，磁力矩器用于在衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制系統(tǒng)中的直接動量控制、磁擾 動補(bǔ)償或?yàn)榉醋饔幂喰遁d提供動量。速度阻尼為是通過執(zhí)行部件(例如磁力矩器）的作用， 使衛(wèi)星的角速度減少。
[0048] 所述太陽矢量獲取模塊240,與所述角速度調(diào)整模塊230相連，用于通過一磁敏感 器（圖中未示)測量地球磁場強(qiáng)度矢量以解算獲取一太陽矢量。由于磁敏感器的應(yīng)用范圍廣 泛，且無視場限制，因此可以通過磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以解算獲取一太陽矢量。
[0049] 所述夾角判斷模塊250,與所述太陽矢量獲取模塊240相連，用于判斷衛(wèi)星帆板法 線與所述太陽矢量的夾角是否在一第二閾值范圍。
[0050] 所述夾角調(diào)整模塊260,與所述夾角判斷模塊250相連，用于若所述夾角不在所述 第二閾值范圍之內(nèi)，則通過一動量輪（圖中未示）使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述夾角調(diào)整至所 述第二閾值范圍之內(nèi)。當(dāng)所述夾角在第二閾值范圍(例如90度）之內(nèi)，則表示太陽捕獲完 成，即衛(wèi)星進(jìn)入對日定向模式。
[0051] 所述姿態(tài)角獲取模塊270,與所述夾角調(diào)整模塊260相連，用于通過所述磁敏感器 測量地球磁場強(qiáng)度矢量獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角?？梢酝ㄟ^磁敏感器測量地球磁場 強(qiáng)度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角。所述姿態(tài)度是影響執(zhí)行全姿態(tài)捕獲的一重要 因素。當(dāng)所述姿態(tài)度較大時(shí)，超出任務(wù)范圍時(shí)，容易使衛(wèi)星翻滾，常規(guī)情況下，姿態(tài)角為零。 當(dāng)然，姿態(tài)角在不同任務(wù)段有不同的范圍。參見圖2B，作為可選的技術(shù)方案，所述姿態(tài)角獲 取模塊270進(jìn)一步包括：一磁場強(qiáng)度測量單元271，用于通過所述磁敏感器測量地球磁場矢 量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的三個(gè)分量；一姿態(tài)角計(jì)算單元272,與所述磁場強(qiáng)度測量單元271相 連，用于根據(jù)所述三個(gè)分量通過一算法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球的姿態(tài)角。由于地球磁場強(qiáng)度 相對地球是固定的，即磁場中任一點(diǎn)磁場感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向是相對固定的，因此，在磁 敏感器不受視場限制的前提下，通過所述磁敏感器測量地球磁場矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的 三個(gè)分量，并且根據(jù)所述三個(gè)分量通過一算法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球的姿態(tài)角。
[0052] 所述姿態(tài)角判斷模塊280,與所述姿態(tài)角獲取模塊270相連，用于判斷所述姿態(tài)角 是否在第二閾值范圍之內(nèi)。
[0053] 所述姿態(tài)角調(diào)整模塊290,與所述姿態(tài)角判斷模塊280相連，用于若所述姿態(tài)角不 在所述第三閾值范圍之內(nèi)，則通過所述動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述姿態(tài)角調(diào)整至所 述第三閾值范圍之內(nèi)。雖然磁敏感器不受視場限制，能夠做到全天候的測量，以獲取姿態(tài) 角，但是由于其自身姿態(tài)精度相對較低，因此為了能夠獲取衛(wèi)星的精確的姿態(tài)信息，故引入 星敏感器（圖中未示)。所述星敏感器雖然易受視場限制，但其自身姿態(tài)精度相對較高，于是 將星敏感器和磁敏感器兩者相結(jié)合，形成互補(bǔ)，能夠有效實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)捕獲的需求。當(dāng)所述磁 敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量，并獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角后，即磁敏感器獲得當(dāng)前 磁場方向時(shí)，判斷星敏感器是否在一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)。
[0054] 在本實(shí)施例中，所述衛(wèi)星姿態(tài)判斷模塊2100和衛(wèi)星姿態(tài)判斷模塊2110為可選組 件。其中，所述衛(wèi)星姿態(tài)判斷模塊2100分別與姿態(tài)角調(diào)整模塊290和衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整模塊 2110相連，用于判斷一星敏感器是否在一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)。所述衛(wèi)星姿 態(tài)調(diào)整模塊2110,與衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊2120相連，用于若在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出，則通 過動量輪的控制使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動。
[0055] 為了保證可靠性，采用多次采樣值判斷的方式，從而能夠避免星敏感器的單次輸 出數(shù)據(jù)誤判斷的情況，而在設(shè)定時(shí)間內(nèi)星敏感器的數(shù)據(jù)有效時(shí)才能夠充分說明星敏感器正 常輸出數(shù)據(jù)，姿態(tài)恢復(fù)正常。所述動量輪為一種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其能夠按 照姿態(tài)控制系統(tǒng)的指令，提供合適的控制力矩，使衛(wèi)星發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而改變衛(wèi)星姿態(tài)，校正 衛(wèi)星的姿態(tài)偏差，或完成某種預(yù)定的姿態(tài)調(diào)整。所述動量輪包括滾動軸和俯仰軸，所述滾動 軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第一轉(zhuǎn)角，所述俯仰軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無 輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第二轉(zhuǎn)角。在本實(shí)施中，第一轉(zhuǎn)角可以設(shè)定為55度，第二轉(zhuǎn)角可以設(shè)定為10 度，上述第一轉(zhuǎn)角和第二轉(zhuǎn)角不限于此，可以根據(jù)實(shí)際情況做相對調(diào)整。在本實(shí)施例中，若 在滾動軸轉(zhuǎn)動55度，俯視角轉(zhuǎn)動10度之后，且等待星敏感器在600秒內(nèi)是否輸出信息（即 衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù))，若仍然無輸出，則繼續(xù)通過動量輪的滾動軸和俯視軸轉(zhuǎn)動相同的第一轉(zhuǎn) 角和第二轉(zhuǎn)角，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動，直至星敏感器輸出衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)。
[0056] 所述衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊2120,與所述衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整模塊2110相連，用于通過星敏 感器獲取衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信息。在其他實(shí)施中，所述衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊 2120可以與所述姿態(tài)角調(diào)整模塊290相連（圖中未示)。當(dāng)星敏感器輸出衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)， 于是使用星敏感器定姿以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信息，利用星敏感器的定姿精度高的特性，使得 衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)到正常需要的狀態(tài)，從而完成全姿態(tài)捕獲過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的全 姿態(tài)捕獲。
[0057] 所述控制模塊2130,與衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊2120相連，用于根據(jù)所述姿態(tài)信息和太 陽矢量，控制衛(wèi)星帆板對日定向。亦即，根據(jù)所述姿態(tài)和太陽矢量，控制衛(wèi)星帆板（圖中未 示)對日定向，從而保證能源供應(yīng)。對日定向完成后，等待地面注入精確的軌道數(shù)據(jù)，利用星 敏感器確定衛(wèi)星姿態(tài)，采用動量輪控制使衛(wèi)星三軸穩(wěn)定的轉(zhuǎn)入期望的姿態(tài)。
[0058] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 通過一陀螺獲取衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度； (2) 判斷所述角速度是否在第一閾值范圍之內(nèi)，若所述角速度不在所述第一閾值范圍 之內(nèi)，則通過一磁力矩器進(jìn)行速率阻尼，以使所述角速度調(diào)整至所述第一閾值范圍之內(nèi)； (3) 通過一磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以解算獲取一太陽矢量； (4) 判斷衛(wèi)星帆板法線與所述太陽矢量的夾角是否在一第二閾值范圍，若所述夾角不 在所述第二閾值范圍之內(nèi)，則通過一動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述夾角調(diào)整至所述第 二閾值范圍之內(nèi)； (5) 通過所述磁敏感器測量地球磁場強(qiáng)度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角； (6) 判斷所述姿態(tài)角是否在一第三閾值范圍之內(nèi)，若所述姿態(tài)角不在所述第三閾值范 圍之內(nèi)，則通過所述動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述姿態(tài)角調(diào)整至所述第三閾值范圍之 內(nèi)； (7) 通過一星敏感器獲取衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于， 在步驟（6)和步驟（7)之間進(jìn)一步包括： (61) 判斷一星敏感器是否在一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)； (62) 若在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出，則通過所述動量輪的控制使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動，并返回執(zhí) 行步驟（61)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于， 在步驟（62)中，所述動量輪包括滾動軸和俯仰軸，所述滾動軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸 出時(shí)轉(zhuǎn)動一第一轉(zhuǎn)角，所述俯仰軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第二轉(zhuǎn)角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于， 在步驟（5)中，通過所述磁敏感器測量地球磁場矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的三個(gè)分量，并且根 據(jù)所述三個(gè)分量通過一算法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球的姿態(tài)角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于， 在步驟（7)之后，進(jìn)一步包括： 根據(jù)所述姿態(tài)信息和太陽矢量，控制衛(wèi)星帆板對日定向。
6. -種基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲裝置，其特征在于，包括： 一角速度獲取模塊，用于通過一陀螺獲取衛(wèi)星姿態(tài)的一角速度； 一角速度判斷模塊，與所述角速度獲取模塊相連，用于判斷所述角速度是否在第一閾 值范圍之內(nèi)； 一角速度調(diào)整模塊，與所述角速度判斷模塊相連，用于在所述角速度不在所述第一閾 值范圍之內(nèi)，則通過一磁力矩器進(jìn)行速率阻尼，以使所述角速度調(diào)整至所述第一閾值范圍 之內(nèi)； 一太陽矢量獲取模塊，與所述角速度調(diào)整模塊相連，用于通過一磁敏感器測量地球磁 場強(qiáng)度矢量以解算獲取一太陽矢量； 一夾角判斷模塊，與所述太陽矢量獲取模塊相連，用于判斷衛(wèi)星帆板法線與所述太陽 矢量的夾角是否在一第二閾值范圍； 一夾角調(diào)整模塊，與所述夾角判斷模塊相連，用于若所述夾角不在所述第二閾值范圍 之內(nèi)，則通過一動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述夾角調(diào)整至所述第二閾值范圍之內(nèi)； 一姿態(tài)角獲取模塊，與所述角速度調(diào)整模塊相連，用于通過所述磁敏感器測量地球磁 場強(qiáng)度矢量以獲取衛(wèi)星相對地球的一姿態(tài)角； 一姿態(tài)角判斷模塊，與所述姿態(tài)角獲取模塊相連，用于判斷所述姿態(tài)角是否在一第三 閾值范圍之內(nèi)； 一姿態(tài)角調(diào)整模塊，與所述姿態(tài)角判斷模塊相連，用于若所述姿態(tài)角不在所述第三閾 值范圍之內(nèi)，則通過所述動量輪使衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以使所述姿態(tài)角調(diào)整至所述第三閾值范 圍之內(nèi)； 一衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊，與所述姿態(tài)角調(diào)整模塊相連，用于通過一星敏感器獲取衛(wèi)星姿 態(tài)四元數(shù)，以確定衛(wèi)星的姿態(tài)信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲裝置，其特征在于， 所述裝置進(jìn)一步包括： 一衛(wèi)星姿態(tài)判斷模塊，分別與一姿態(tài)角調(diào)整模塊和一衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整模塊相連，用于判 斷一星敏感器是否在一預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出一衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)； 所述衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整模塊，與衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊相連，用于若在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出， 則通過所述動量輪的控制使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲裝置，其特征在于， 所述動量輪包括滾動軸和俯仰軸，所述滾動軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第一 轉(zhuǎn)角，所述俯仰軸用于在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)無輸出時(shí)轉(zhuǎn)動一第二轉(zhuǎn)角。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲裝置，其特征在于， 所述姿態(tài)角獲取模塊進(jìn)一步包括： 一磁場強(qiáng)度測量單元，用于通過所述磁敏感器測量地球磁場矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的 三個(gè)分量； 一姿態(tài)角計(jì)算單元，與所述磁場強(qiáng)度測量單元相連，用于根據(jù)所述三個(gè)分量通過一算 法以計(jì)算衛(wèi)星相對地球的姿態(tài)角。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于磁敏感器和星敏感器的全姿態(tài)捕獲裝置，其特征在于， 所述裝置進(jìn)一步包括： 一控制模塊，與所述衛(wèi)星姿態(tài)獲取模塊相連，用于根據(jù)所述姿態(tài)信息和太陽矢量，控制 衛(wèi)星帆板對日定向。
【文檔編號】B64G1/36GK104097791SQ201410283809
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】吳子軼, 陽應(yīng)權(quán), 萬松, 李 東, 劉爽, 李曉紅 申請人:上海微小衛(wèi)星工程中心