一種火星探測器自主對地定向控制方法技術

本發明專利技術公開一種火星探測器自主對地定向控制方法，使用于火星探測器任意姿態情況下完成全姿態捕獲地球和對地定向，僅僅使用星敏感器作測量，反作用飛輪作為執行部件提供控制力矩。直接使用星敏感器的測量值，無須通過濾波算法確定姿態，實現了不依賴陀螺的安全模式。與現有技術相比，該方法不依賴地球敏感器和陀螺，能夠自主完成全姿態捕獲地球和對地定向，有較強的實用推廣價值。

【技術實現步驟摘要】
一種火星探測器自主對地定向控制方法
本專利技術涉及火星探測器對地球定向姿態控制技術，尤其是用于火星探測器任意姿態情況下完成對地定向，僅僅使用星敏感器作測量部件，反作用飛輪作為執行部件提供控制力矩。直接使用星敏感器的測量值，不須通過濾波算法確定姿態，符合最小硬件配置原則。
技術介紹
國內研制火星探測器，在執行火星探測任務時，首先要數傳天線對地定向，確保科學探測數據能夠下傳，在深空探測中，沒有直接的地球敏感器可以測量對地姿態信息，需要星上自主進行火星、地球公轉軌道及星歷遞推來確定對地定向基準，另外，由于火星與地球距離遙遠無法進行實時遙控，火星探測器必須能夠在任意姿態情況下自主完成捕獲地球和對地定向，因此，需要研制一種火星探測器自主對地定向技術。
技術實現思路
針對現有技術不足，本專利技術要解決的技術問題是提供一種火星探測器自主對地定向控制方法，無需陀螺的角速度數據作為反饋，采用星敏感器和飛輪的最小配置，能夠在任意姿態情況下自主完成捕獲地球和對地定向。為解決上述技術問題，本專利技術是通過以下的技術方案實現的，一種火星探測器自主對地定向控制方法，其具體包括如下步驟：1.通過計算地球、火星的星歷得到火星對地球指向矢量，根據對地坐標系的定義，計算慣性坐標系到對地定向基準坐標系的轉換四元數；2.采用前饋+反饋策略的解耦控制律計算飛輪轉速指令，通過飛輪轉速控制實現對地定向機動；3.對地機動完成后，利用星敏感器測量值計算的姿態角作為P項反饋，姿態角積分作為I項反饋，利用飛輪PI控制律進行對地穩態控制；4.設置對地定向時間限制，進行計時或者整星蓄電池電量判斷，當發生超時或者能源危機時自主轉回對日定向模式；本專利技術采用的方法與現有技術相比，其優點和有益效果是：該專利技術方法，解決了火星探測任意姿態情況下捕獲地球和對地定向問題，火星探測器長期運行時不需要陀螺測量信息，也可以降低火星探測器對陀螺的配置要求，從而增加系統長期運行的可靠性。附圖說明以下將結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明。圖1是本專利技術方法對地定向關系示意圖。具體實施方式當火星探測器進入全姿態捕獲地球時，首先根據星上系統時鐘值計算對地定向基準，進行對地定向機動，完成對地機動后，進入對地定向穩態控制以完成對地數傳。各模式下的具體實施方式如下所述。如圖1所示，對地定向姿態基準由火星指向地球的矢量rem和地球公轉軌道的法線矢量he確定。火星與地球連線并指向地球為+Zre向，火星指向地球矢量rem和地球公轉面法線矢量he所在平面的法線為+Xre，Yre軸根據右手坐標系法則得到，對地定向基準計算過程如下：地球平根數計算a‾e=1.00000102×1.4959787×108(km)e‾e=0.016704140i‾e=0Ω‾e=0ω‾e=102.971723·π/180M‾e=(357.529100+0.98560028169·MJD)·π/180]]>式中：為地球公轉軌道半長軸；為地球公轉軌道偏心率；為地球公轉軌道傾角；為地球公轉軌道升交點赤經；為地球公轉軌道近日點幅角；為地球公轉軌道平近點角。地球位置計算fe=M‾e+2e‾e·sinM‾e+1.25e‾e2·sin(2M‾e)]]>re=a‾e(1-e‾e2)/(1+e‾ecosfe)]]>ue=ω‾e+fe]]>式中：fe為地球公轉軌道真近點角；re為地球太陽之間的距離；ue為地球公轉軌道升交點幅角。地球繞太陽運動的位置在日心黃道坐標系中的分量為xe=re·cosueye=re·sinueze=0]]>火星平根數計算式中：為火星公轉軌道半長軸；為火星公轉軌道偏心率；為火星公轉軌道傾角；為火星公轉軌道升交點赤經；為火星公轉軌道近日點幅角；為火星公轉軌道平近點角。火星位置計算fM=M‾M+2e‾M·sinM‾M+1.25e‾M2·sin(2M‾M)]]>rM=a‾M(1-e‾M2)/(1+e‾McosfM)]]>uM=ω‾M+fM]]>式中：fM為火星公轉軌道真近點角；rM為火星太陽之間的距離；uM為火星公轉軌道升交點幅角。火星繞太陽運動的位置在日心黃道坐標系中的分量為xM=rM·(cosuMcosΩM-sinuMcosi‾MsinΩ‾M)ym=rm·(cosuMsinΩM+sinuMcosi‾McosΩ‾M)zm=rM·(sinuMsini‾M)]]>通過星歷遞推，可以得到日心黃道坐標系下的地球繞太陽的位置矢量火星繞太陽的位置矢量設火星指向地球球心的矢量為對地定向基準坐標系3個軸向的單位矢量分別為則s→e=r→e-r→m]]>h→e=[001]T]]>e→z=s→e/|s→e|]]>e→x=s→e×h→e]]>e→x=e→x/|e→x|]]>e→y=e→z×e→x]]>e→y=e→y/|e→y|]]>日心黃道坐標系到對地定向基準坐標系的轉換矩陣Cr_E為Cr_E=e→xTe→yTe→zT=A11A12A13A21A22A23A31A32A33]]>轉換為四元素形式得到qre日心地球赤道慣性坐系到日心黃道坐標系的轉換四元數為qeie=cosϵe2sinϵe200,]]>其中εe＝23.437905°·π/180日心地球赤道慣性坐標系到對地定向基準坐標系的轉換四元數qrEi為qrEi=qeie⊗qrE]]>根據星敏感器測量到的星體四元素qib和對地定向基準四元素qrEi，可以計算得到姿態機動四元素：q=qrEi-1⊗qib]]>對地機動過程中飛輪指令計算如下：Ω(t)=Iw-1B·A(q)·本文檔來自技高網...

【技術保護點】
火星探測器自主對地定向控制方法，其特征在于包括如下步驟：1)根據地球、火星的星歷計算火星對地球指向矢量，通過定義對地坐標系計算慣性坐標系到對地定向基準坐標系的轉換四元數；2)采用前饋+反饋策略的解耦控制律計算飛輪轉速指令，以此進行對地定向機動控制；3)對地機動完成后，利用星敏感器測量值計算的姿態角作為P項反饋，姿態角積分作為I項反饋，進行PI對地穩態控制；4)設置對地定向時間限制，進行計時或者整星蓄電池電量判斷，當發生超時或者能源危機時自主轉回對日定向模式。

【技術特征摘要】
1.火星探測器自主對地定向控制方法，其特征在于包括如下步驟：1)根據地球、火星的星歷計算火星對地球指向矢量，通過定義對地坐標系計算慣性坐標系到對地定向基準坐標系的轉換四元數；2)采用前饋+反饋策略的解耦控制律計算飛輪轉速指令，以此進行對地定向機動控制；3)對地機動完成后，利用星敏感器測量值計算的姿態角作為P項反饋，姿態角積分作為I項反饋，進行PI對地穩態控制；4)設置對地定向時間限制，進行計時或者整星蓄電池電量判斷，當發生超時或者能源危機時自主轉回對日定向模式。2.根據權利要求1所述的火星探測器自主對地定向控制方法，其特征在于：所述步驟1)中，日心地球赤道慣性坐標系到對地定向基準坐標系的轉換四元數qrEi計算公式為：式中：qrEi為對地基準四元素；為日心慣性系到日心黃道系轉換四元素；qrE為日心黃道系到對地基準系轉換四元素。3.根據權利要求1或2所述的火星探測器自主對地定向控制方法，其特征在于：所述步驟2)中對地機動過程中飛輪指令計算公式為：

【專利技術屬性】
技術研發人員：尹海寧，聶章海，周連文，李芳華，杜寧，蔡陳生，袁彥紅，
申請(專利權)人：上海航天控制工程研究所，
類型：發明
國別省市：