專利名稱：衛(wèi)星姿態(tài)控制的測(cè)試設(shè)備及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三軸穩(wěn)定衛(wèi)星對(duì)太陽和地球定向的測(cè)試設(shè)備(具有太陽敏感器，以測(cè)定在衛(wèi)星本體座標(biāo)系XYZ中的太陽方向，太陽矢量S＝(SX，SY，SZ)T，｜S｜＝1，具有速度陀螺儀，以測(cè)定衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)速度矢量ω的分量，ω＝(ωX，ωY，ωZ)T)及其測(cè)定衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度和衛(wèi)星偏移的測(cè)試方法，以及使用這種測(cè)試設(shè)備時(shí)，執(zhí)行姿態(tài)控制機(jī)動(dòng)飛行的控制系統(tǒng)及控制方法。
有一種最早命名為這種類型的測(cè)試設(shè)備是出自H.Bittner在1977.11 ESA SP-128，1977.10.3～6，在Nordwijk舉行的AOCS國(guó)際會(huì)議上公開的“The Attitude Determination and con-trol Subsystem of the Intelsat V Spacecraft”。這種公知類型的衛(wèi)星具有一附加設(shè)置的、在衛(wèi)星本體座標(biāo)系三軸X·Y·Z測(cè)量的速度陀螺儀包以及同樣附加設(shè)置的雙視太陽敏感器，其中一個(gè)以負(fù)Y軸為中心，其覆蓋XZ平面的一半，因而其垂直方向，即Y軸方向具有一定的寬度;另一個(gè)則以正X軸為中心，覆蓋XY平面的 1/3 ，同樣在垂直方向上具有一定寬度，這種敏感器設(shè)備用于衛(wèi)星體的周轉(zhuǎn)，也就是說，對(duì)衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量的分量進(jìn)行跟蹤測(cè)量，一旦太陽位于太陽敏感器的視場(chǎng)中，通過確定從衛(wèi)星指向太陽中心點(diǎn)的太陽矢量即可獨(dú)立進(jìn)行衛(wèi)星定向。這種由敏感器提供的測(cè)量結(jié)果將提供給衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)使用，從而達(dá)到改變其姿態(tài)的目的，也就是說發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令，使得其在轉(zhuǎn)移軌道以及最終衛(wèi)星軌道進(jìn)行必要的機(jī)動(dòng)飛行即能及時(shí)消除已經(jīng)存在的姿態(tài)偏差。
用于測(cè)量、控制和衰減衛(wèi)星周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使用的速度陀螺儀是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的電機(jī)精密儀器。因而相應(yīng)造價(jià)昂貴并易受干擾，為了在宇宙空間特有的環(huán)境條件下滿足其可靠性要求，尤其是負(fù)有長(zhǎng)期使命時(shí)，這種儀器必須裝設(shè)許多附加設(shè)備，從而使其成本和附加重量增加。如果在一個(gè)包含多個(gè)速度陀螺儀的陀螺包中，一根測(cè)量軸失效，一般而言，殘留的其它陀螺儀軸也不能再使用。帶有許多功能部件的系統(tǒng)失效的概率相應(yīng)增加，帶有大量易受干擾的電機(jī)部件的測(cè)量系統(tǒng)也存有較大的失效風(fēng)險(xiǎn)。
本發(fā)明的發(fā)明任務(wù)是提供一種簡(jiǎn)單、造價(jià)低并且可靠的上述測(cè)試設(shè)備。這種測(cè)試設(shè)備能夠使得所有在轉(zhuǎn)移軌道以及最終衛(wèi)星軌道，尤其是在同步軌道中的衛(wèi)星能自動(dòng)地作必要的機(jī)動(dòng)飛行。此外，易受干擾的部件數(shù)量將盡可能減至最小。
必要的機(jī)動(dòng)飛行包括有從起始姿態(tài)捕獲太陽，從太陽定向搜索地球，遠(yuǎn)地點(diǎn)機(jī)動(dòng)飛行校準(zhǔn)，當(dāng)在轉(zhuǎn)移軌道機(jī)動(dòng)飛行期間在原規(guī)定方向定向和運(yùn)動(dòng)衰減中穩(wěn)定姿態(tài)以及在同步軌道中對(duì)地球和太陽再搜索。
本發(fā)明提出的發(fā)明任務(wù)是通過權(quán)利要求1中包括的特征部分的技術(shù)特征來實(shí)現(xiàn)的。
該測(cè)試設(shè)備包括有多個(gè)并排列好的太陽敏感器，使得太陽矢量S的分量能在一平面在周角范圍(0≤α1≤2π)測(cè)量，且在該平面的垂直方向能在一限定的角度范圍｜α2｜≤α2max(α2max＜90°)來進(jìn)行測(cè)量。在此，以一個(gè)衛(wèi)星本體座標(biāo)系為基礎(chǔ)，特別是一種帶Roll軸X，Nick軸Y以及Gier軸Z的笛卡兒XYZ系統(tǒng)，其中在同步軌道中一般而言Roll軸在軌道方向，Gier軸指向地球中心點(diǎn)和Nick軸垂直于軌道平面。下面提及的平面為測(cè)量平面，該平面應(yīng)由太陽敏感器測(cè)量范圍全捕捉住，例如XZ-平面。垂直方向，即Y軸方向，太陽敏感器測(cè)量范圍則受到限制(±α2max)。太陽敏感器這樣限定的測(cè)量范圍能通過多個(gè)單一帶有不同指向光軸的太陽敏感器相互毗連的、即重疊搭接的視場(chǎng)而構(gòu)成。
另一實(shí)質(zhì)性的特征是以一個(gè)單軸測(cè)量、積分速度陀螺儀替代已公知的衛(wèi)星三軸測(cè)量、速度陀螺儀包。其測(cè)量軸，通過一個(gè)單位矢量G來代表，并且與太陽敏感器測(cè)量平面成一角度β，角度大小為(π/2)-α2max。速度陀螺儀的測(cè)量軸也應(yīng)位于從坐標(biāo)系原點(diǎn)O為頂點(diǎn)的雙錐體之內(nèi)，雙錐體的對(duì)稱軸垂直于太陽敏感器的測(cè)量平面，如果以XZ平面作為太陽敏感器的測(cè)量平面，則以Y軸作為其對(duì)稱軸。
關(guān)于本發(fā)明的進(jìn)一步構(gòu)成是對(duì)速度陀螺儀測(cè)量軸允許的空間角度范圍仍有限制，如從屬權(quán)利要求2所述。限制速度陀螺儀的測(cè)量軸指向的理由將在下面作進(jìn)一步詳述。
在權(quán)利要求3～6所給出的是使用方法，通過這些方法將能在一預(yù)先給定的參考方向測(cè)定衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度和衛(wèi)星偏移，當(dāng)然是以依據(jù)本發(fā)明的測(cè)試設(shè)備為前提。權(quán)利要求7包含有使用依據(jù)本發(fā)明的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行姿態(tài)控制機(jī)動(dòng)飛行的一個(gè)控制系統(tǒng)以及其提到的相關(guān)使用方法。最后是在權(quán)利要求8和9中給出了控制方法，尤其是給出了在所述控制系統(tǒng)中使用的控制方程式。
下面將根據(jù)附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖以簡(jiǎn)圖的方式給出
圖1一顆地球衛(wèi)星的轉(zhuǎn)移軌道和同步軌道與地球和太陽之間的幾何關(guān)系，圖2a、2b太陽敏感器的視場(chǎng)，圖3速度陀螺測(cè)量軸的允許空間角度范圍，圖4在使用依據(jù)本發(fā)明提出的測(cè)試設(shè)備時(shí)，其控制系統(tǒng)的方框圖。
本發(fā)明可用于同步衛(wèi)星，圖1簡(jiǎn)要地表示了一顆這種衛(wèi)星的轉(zhuǎn)移軌道和同步衛(wèi)星軌道的一部分。這顆衛(wèi)星首先在含近地點(diǎn)(軌道上距地球最近的點(diǎn))的橢圓形軌道上運(yùn)行，其遠(yuǎn)地點(diǎn)(軌道上距地球最遠(yuǎn)的點(diǎn))已經(jīng)由基本為環(huán)形的確定的地球同步衛(wèi)星軌道的半徑所確定。同步衛(wèi)星軌道的平面幾乎與地球赤道平面一致。轉(zhuǎn)移軌道平面則相對(duì)同步軌道的平面傾斜。
在這顆衛(wèi)星最后進(jìn)入地球同步軌道之前，它必須在與運(yùn)載工具脫離之后在轉(zhuǎn)移軌道上作一些機(jī)動(dòng)飛行。在圖1中表示了在轉(zhuǎn)移軌道上的三個(gè)不同的位置P1～P3，衛(wèi)星在這些位置上總是定向于不同的方向。在P1位置衛(wèi)星的負(fù)Z軸指出太陽的方向，并以指令旋轉(zhuǎn)速ωc(旋轉(zhuǎn)速度矢量ωc)繞衛(wèi)星-太陽中點(diǎn)連線轉(zhuǎn)動(dòng)。在P2位置，已經(jīng)完成地球捕獲(地球搜索)，因此衛(wèi)星的正Z軸向著地球中心定向。借助監(jiān)測(cè)Z軸方向的紅外線地球敏感器(IRS)形成上述定向，圖中簡(jiǎn)略地表示了紅外線地球敏感器相互垂直的測(cè)量方向。利用地球敏感器和太陽敏感器，上述定向使得在進(jìn)入P3位置的遠(yuǎn)地點(diǎn)機(jī)動(dòng)飛行之前建立三光軸參考系以完成陀螺定向和形成衛(wèi)星正確定向成為可能。由于遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力在負(fù)Z軸上的作用，對(duì)于這種機(jī)動(dòng)飛行，衛(wèi)星的正Z軸必須指向地球同步軌道與轉(zhuǎn)移軌道的交點(diǎn)。
上述對(duì)地球和/或太陽的定向一結(jié)束，上述用于轉(zhuǎn)移軌道的機(jī)動(dòng)飛行(也就是太陽捕獲和地球捕獲)在地球同步軌道上將成為必不可少。很明顯，本發(fā)明也可能用于其它的轉(zhuǎn)移軌道構(gòu)型和衛(wèi)星構(gòu)型，尤其是遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備和地球敏感器。
在圖2a中示出了如何校準(zhǔn)太陽敏感器對(duì)稱于XZ平面以及旋轉(zhuǎn)對(duì)稱于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中Y軸的視場(chǎng)也就是其測(cè)量范圍，該測(cè)量范圍包括一個(gè)相對(duì)XZ平面的角度范圍α2max≥α2≥-α2max，這個(gè)角度范圍必須相對(duì)Y軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱并因此形成一整個(gè)環(huán)視(0≤α1≤2π)。一個(gè)圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的空間角度范圍不包括在太陽敏感器的測(cè)量范圍內(nèi)，所述空間角度范圍的形狀是一個(gè)張角為2[(π/2-α2max]的在坐標(biāo)系原點(diǎn)上對(duì)中的雙錐。
在圖2b中示出了如何在XZ平面中利用三個(gè)具有光軸OA1至OA3且相互相間120°設(shè)置的太陽敏感器來實(shí)現(xiàn)環(huán)視。在該實(shí)施例中，三個(gè)太陽敏感器中的任一個(gè)均在XZ平面內(nèi)具有一個(gè)繞自身光軸對(duì)中的測(cè)量范圍，該范圍分別為2α11、2α12和2α13，例如各α為±67°。因此，在該具體情況下，在相鄰的測(cè)量范圍之間形成14°的重疊。在Y軸方向上，任一測(cè)量范圍均為±α2max。
很明顯，各太陽敏感器處于另外的狀況也是可能的，但在這些狀況中總的來說必須在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的一個(gè)平面內(nèi)(如XZ平面)以垂直于此平面的一個(gè)確定寬度提供上述環(huán)視。
也可以利用兩個(gè)單軸測(cè)量太陽敏感器替代一個(gè)雙軸測(cè)量太陽敏感器，各單軸太陽敏感器的測(cè)量方向繞各自的光軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°即可。
圖3a表示速度陀螺測(cè)量軸的允許空間角度范圍。其中表示的是一個(gè)向衛(wèi)星本體坐標(biāo)系XYZ原點(diǎn)O對(duì)中的單位圓(半徑為1)的側(cè)視圖。單位矢量G代表速度陀螺測(cè)量軸。單位圓上的單位矢量G的終點(diǎn)允許進(jìn)入陰影線所示空間角度區(qū)域。該區(qū)域相對(duì)Y軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱并包含由XZ平面所測(cè)角β2的區(qū)域｜β2｜≥(π/2)-α2max。很顯然，矢量G的位置并非如圖3a所示限制于YZ平面中，而是首先允許其進(jìn)入0≤α1≤2π的整個(gè)區(qū)域。
圖3b以透視的方式示出了已經(jīng)從圖3a得知的實(shí)際情形，然而在此對(duì)速度陀螺(矢量G)測(cè)量軸的允許空間角度范圍有另一個(gè)限制。通過在XZ平面處于X軸兩側(cè)的角度范圍±γx，并通過該角度繞Z軸的旋轉(zhuǎn)來形成不許可的空間角度范圍。圖3b中單位圓上畫陰影線所表示的四個(gè)區(qū)域保留下來作為速度陀螺測(cè)量軸的允許空間角度范圍。
本發(fā)明的測(cè)試設(shè)備能夠利用太陽敏感器確定太陽矢量S＝(SX，SY，SZ)T，利用速度陀螺確定衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω的與其測(cè)量軸相平行的分量ωm，這些數(shù)值都是用于姿態(tài)控制的重要測(cè)量。值根據(jù)單位矢量(｜S｜＝1)定義，太陽矢量S表示太陽位于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系XZY的哪個(gè)方向上，速度陀螺測(cè)量軸由一個(gè)單位矢量G＝(GX，GY，GZ)T表示(｜G｜＝1)。衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω的分量ωm為ωm＝GT·ω上標(biāo)T表示一個(gè)矢量或一個(gè)矩陣的轉(zhuǎn)置，因此矢量G被定義為列矢量，在上述標(biāo)積中使用的矢量GT被定義為行矢量。兩上矢量的標(biāo)積中一個(gè)作為列矢量，另一個(gè)作為行矢量，這是眾所周知的。
利用兩個(gè)測(cè)量值S和ωm可確定用于姿態(tài)控制的兩個(gè)重要的矢量，即衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω和相對(duì)一預(yù)先給定的參考姿態(tài)的衛(wèi)星偏移矢量d。
衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω可以根據(jù)測(cè)定的太陽矢量S、其時(shí)間導(dǎo)數(shù)
和陀螺信號(hào)ωm及矩陣M按以下公式計(jì)算得出
其也可由以下附加公式得出
(1g)根據(jù)線性理論這樣測(cè)定的ω估計(jì)值對(duì)旋轉(zhuǎn)速度矢量而言會(huì)至少產(chǎn)生二次冪的誤差，在實(shí)踐中不好的條件矩陣M也會(huì)出現(xiàn)數(shù)值問題，例如，當(dāng)太陽矢量S垂直位于速度陀螺儀的測(cè)量軸G時(shí)。如以上所述，開始提到的確定旋轉(zhuǎn)速度矢量ω的方案是一種簡(jiǎn)單的方案，可以避免這類數(shù)值問題。
衛(wèi)星偏移矢量d＝(dX，dY，dZ)T表明了測(cè)定的太陽矢量S和一個(gè)太陽參數(shù)矢量SR之間的相互關(guān)系，矢量SR給出太陽矢量S的規(guī)定方向，當(dāng)太陽矢量S不與太陽參考矢量SR疊合時(shí)，即產(chǎn)生一個(gè)偏移量。通過衛(wèi)星從參考方向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)這樣<claim>1、用于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制的測(cè)試設(shè)備，借助太陽敏感器測(cè)定在一衛(wèi)星本體座標(biāo)系XYZ中太陽方向(太陽矢量S=(SX，SY，SZ)T，︱S︱=1)，借助速度陀螺儀測(cè)定衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)速度矢量(ω=(ωX，ωY，ωZ)T)，其特征在于在一預(yù)定平面(測(cè)量平面，如XZ平面)太陽敏感器的測(cè)量范圍是周角范圍(0≤α1≤2π)，在與之垂直方向(如Y軸方向)，測(cè)量范圍則局限于平面兩側(cè)夾角范圍(α2max≥α2≥-α2max(α2max＜π/2)，并且僅有一個(gè)單軸測(cè)量、積分速度陀螺儀，其測(cè)量軸(G=(GX，GY，GZ)T，｜G｜=1)與太陽敏感器設(shè)置平面成一角度為±｜β｜，其角度為｜β｜≥(π/2)-α2max</claim><claim>2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試設(shè)備，其特征在于帶有測(cè)量軸(G)的速度陀螺儀如此確定方向，即總是滿足以下附加條件GT·SRi≥ε＞0在這SRi表示可預(yù)見的運(yùn)轉(zhuǎn)相位(i)的太陽參考矢量，在這些相位速度陀螺儀總是長(zhǎng)期保持相應(yīng)的規(guī)定方向。</claim><claim>3、使用如權(quán)利要求1或2所述的測(cè)試設(shè)備時(shí)，確定衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度的方法，其特征在于根據(jù)太陽敏感器測(cè)定的太陽矢量S及由此推導(dǎo)出的其時(shí)間導(dǎo)數(shù)(微商)
，加之獲取的速度陀螺儀的測(cè)量信號(hào)ωm，衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω即按以下公式計(jì)算ω＝ωq+S· (ωm-GT·ωq)/(GT·S)采用一種近似的計(jì)算方法(E是單位矩陣)
圖4示出了一個(gè)三軸穩(wěn)定地球衛(wèi)星執(zhí)行轉(zhuǎn)移軌道和搜索機(jī)動(dòng)飛行時(shí)依據(jù)本發(fā)明測(cè)試設(shè)備的控制系統(tǒng)方框圖示例。衛(wèi)星1的特征參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)速度矢量ω和相對(duì)預(yù)先給定方向的太陽參考矢量SR的偏移量(Euler角φ、θ、ψ)(偏移矢量d)。只要太陽位于其可測(cè)范圍，借助于太陽敏感器2即可測(cè)出與太陽參考矢量偏離的實(shí)際太陽矢量S，從而可以測(cè)出其偏移程度，并以一相應(yīng)信號(hào)(Sun presence＝Sp)表示。一個(gè)單軸測(cè)量，積分速度陀螺儀3測(cè)出與測(cè)量軸平行的衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω的分量ωm。將測(cè)量值ωm和S按照公式(1a)至(1d)或(2a)至(2e)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理4，從而得出輸出矢量值s，d和ω。一個(gè)邏輯單元5通過外來指令和內(nèi)在的邏輯信號(hào)(如Sp)負(fù)責(zé)在與之相連的控制器8中采用相應(yīng)的控制原理;通過開關(guān)6、7將必要的參考值，即太陽參考矢量SR和指令旋轉(zhuǎn)速度矢量ωC接合于系統(tǒng)中;在測(cè)量數(shù)據(jù)處理單元4中確定必須的矢量值。在控制器8的輸出端給出一個(gè)推動(dòng)調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置9的矢量調(diào)節(jié)參數(shù)u，從而給出對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)力矩Ic。
矢量值信號(hào)線路如圖4雙箭頭所示，標(biāo)量值或邏輯信號(hào)線路通過簡(jiǎn)單的實(shí)線示出。邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理公式和控制原理均能使用邏輯塊和電子網(wǎng)絡(luò)線路或衛(wèi)星上的計(jì)算器來實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于地球搜索和地球定向很重要的地球敏感器在圖4中沒有繪出。
執(zhí)行轉(zhuǎn)移軌道機(jī)動(dòng)運(yùn)行的控制原理以矢量描述的一般形式如下給出
在此KP＝diag(KPX，KPY，KPZ)和KD＝diag(KDX，KDY，KDZ)為姿態(tài)放大系數(shù)對(duì)角矩陣和速度放大系數(shù)對(duì)角陣;LP和LD為信號(hào)限制值;ωC為指令旋轉(zhuǎn)速度矢量(如搜索運(yùn)動(dòng)時(shí)和太陽定向時(shí))。姿態(tài)和速度放大系數(shù)考慮了調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置(例如姿態(tài)控制噴管)的特性的布局，在繞不同的衛(wèi)星軸旋轉(zhuǎn)時(shí)大致會(huì)有不同的杠桿臂或不同的慣性力矩，但其目的是繞所述的軸產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)力矩分量。信號(hào)限制值帶有運(yùn)算符號(hào)并使在方程式(3a)中給出的調(diào)節(jié)量矢量u的兩個(gè)矢量分量按預(yù)先給定的限制不超過額度值，從而保證不產(chǎn)生圍繞想要對(duì)準(zhǔn)的規(guī)定方向的強(qiáng)烈擺動(dòng)。
對(duì)繞飛行器各軸旋轉(zhuǎn)的純旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，例如在太陽定向時(shí)繞Z軸旋轉(zhuǎn)(圖1中P1位置)，姿態(tài)放大系數(shù)矩陣(KPX，KPY，KPZ)的相應(yīng)分量可設(shè)為0。
一種最重要的機(jī)動(dòng)飛行隨時(shí)需要進(jìn)行，即當(dāng)太陽不位于太陽敏感器的測(cè)量范圍內(nèi)并且因此完全確定旋轉(zhuǎn)速度矢量ω已不可能時(shí)需要這種機(jī)動(dòng)飛行。這種情況在衛(wèi)星任何起始姿態(tài)或從規(guī)定方向作大的改變時(shí)容易出現(xiàn)。因而首先要采用控制原理u＝-KD·G·GT·ω(3b)來進(jìn)行控制，即將衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度ω的用單軸速度陀螺儀可測(cè)分量ωm＝GT·ω調(diào)整為0。衛(wèi)星僅能繞一根垂直于速度陀螺儀測(cè)量軸的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
在此要描述本發(fā)明最重要的技術(shù)特征，這些特征確定涉及太陽敏感器測(cè)量范圍(｜α2｜≤α2max)的速度陀螺儀測(cè)量軸的允許定向，即測(cè)量軸應(yīng)位于以下范圍｜β2｜≥(π/2)-α2max，也就是保證與測(cè)量軸垂直的方向位于太陽敏感器測(cè)量范圍內(nèi)。當(dāng)衛(wèi)星繞與測(cè)量軸垂直的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)槠湫D(zhuǎn)時(shí)衛(wèi)星覆蓋整個(gè)球面，太陽根據(jù)一定的旋轉(zhuǎn)速度或早或遲進(jìn)入太陽敏感器的測(cè)量范圍。如果相反，速度陀螺儀測(cè)量軸不位于上面確定的允許范圍內(nèi)，則總是存在一繞與測(cè)量軸垂直的方向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙球形空間范圍，其不能落入太陽敏感器的測(cè)量范圍。
如果使用方程式(3b)的控制原理引起的、不過不是公知的繞與測(cè)量軸垂直的軸的旋轉(zhuǎn)速度太慢甚至根本不轉(zhuǎn)，那么太陽在一給定的時(shí)間間隔內(nèi)也照耀不到太陽敏感器的測(cè)量范圍內(nèi)，所以可采取相應(yīng)控制措施。如圖4通過一個(gè)邏輯信號(hào)簡(jiǎn)圖所表示的一樣，通過直接控制調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置9給衛(wèi)星施加一給定數(shù)值的旋轉(zhuǎn)力矩脈沖從而獲得一相應(yīng)旋轉(zhuǎn)速度(例如繞位于XZ平面的一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng))，太陽也因此進(jìn)入其視場(chǎng)即太陽敏感器的測(cè)量范圍中。
以上提及的和如圖3b所描述的對(duì)速度陀螺儀測(cè)量軸定向允許范圍的進(jìn)一步限制，根據(jù)如下圖3b基于一種假定在太陽矢量S與正Z軸互相重疊時(shí)，已預(yù)設(shè)了一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)相位或該相位是可預(yù)見的。當(dāng)速度陀螺儀的測(cè)量軸位于XY平面時(shí)，測(cè)量與XY平面垂直的旋轉(zhuǎn)速度分量是不可能的。因?yàn)樵谶@種情況下，速度陀螺儀只能在XY平面上測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度分量，并且太陽敏感器也不能測(cè)量與該平面垂直的旋轉(zhuǎn)速度分量，因?yàn)榇朔至繙?zhǔn)確位于太陽矢量S方向即Z軸方向。盡管衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)，太陽矢量仍保持其在坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確定向。所以如圖3所示給出了一個(gè)速度陀螺儀測(cè)量軸的禁區(qū)范圍±γx。如果測(cè)量軸不位于禁區(qū)范圍，只要γx值不要選擇得過小，速度陀螺儀就能測(cè)出Z方向的旋轉(zhuǎn)速度分量。一般條件是速度陀螺儀在太陽矢量S的方向的旋轉(zhuǎn)速度分量應(yīng)能夠測(cè)量自不需說，測(cè)量軸代表矢量GT和太陽矢量S的標(biāo)量積也不應(yīng)為0，即必須有一確定最小值GT·S≥ε＞0根據(jù)禁區(qū)角度范圍±γx的不同的具體情形，給定值ε也相應(yīng)不同，即ε＝Sin(γx)。如果給定了一個(gè)工作狀態(tài)，在此狀態(tài)太陽矢量S在X軸方向定向，則速度陀螺儀測(cè)量軸則應(yīng)禁止進(jìn)入Z軸兩側(cè)的和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱X軸的角度范圍±γx。上述條件也適應(yīng)于太陽矢量S的其它參考定向。


圖1轉(zhuǎn)移軌道幾何關(guān)系和飛行器定向Sonne 太陽Neigungzekilptik 黃道傾斜Zielorbit 目標(biāo)軌道

quatorebene 赤道平面Transperbahn 轉(zhuǎn)移軌道Erde 地球

quator 赤道Inklination der Transferbahn 轉(zhuǎn)移軌道偏移圖4執(zhí)行轉(zhuǎn)移軌道機(jī)動(dòng)飛行的控制系統(tǒng)Kdo’s 指令
5-Logik 邏輯單元4-Messdatenaufbereitumg 測(cè)量數(shù)據(jù)處理單元8-Regler 控制器9-Stellglieder 調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置1-Satellit 衛(wèi)星3-Geschw.kreisel 速度陀螺儀2-Sonnensensoren 太陽敏感器
權(quán)利要求
1.用于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制的測(cè)試設(shè)備，借助太陽敏感器測(cè)定在一衛(wèi)星本體座標(biāo)系XYZ中太陽方向(太陽矢量S=(SX，SY，SZ)T，︱S︱=1)，借助速度陀螺儀測(cè)定衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)速度矢量(ω=(ωX，ωY，ωZ)T)，其特征在于在一預(yù)定平面(測(cè)量平面，如XZ平面)太陽敏感器的測(cè)量范圍是周角范圍(0≤α1≤2π)，在與之垂直方向(如Y軸方向)，測(cè)量范圍則局限于平面兩側(cè)夾角范圍(α2max≥α2≥-α2max(α2max＜π/2)，并且僅有一個(gè)單軸測(cè)量、積分速度陀螺儀，其測(cè)量軸(G=(GX，GY，GZ)T，｜G｜=1)與太陽敏感器設(shè)置平面成一角度為±｜β｜，其角度為｜β｜≥(π/2)-α2max
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試設(shè)備，其特征在于帶有測(cè)量軸(G)的速度陀螺儀如此確定方向，即總是滿足以下附加條件GT·SRi≥ε＞0在這SRi表示可預(yù)見的運(yùn)轉(zhuǎn)相位(i)的太陽參考矢量，在這些相位速度陀螺儀總是長(zhǎng)期保持相應(yīng)的規(guī)定方向。
3.使用如權(quán)利要求1或2所述的測(cè)試設(shè)備時(shí)，確定衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度的方法，其特征在于根據(jù)太陽敏感器測(cè)定的太陽矢量S及由此推導(dǎo)出的其時(shí)間導(dǎo)數(shù)(微商)
，加之獲取的速度陀螺儀的測(cè)量信號(hào)ωm，衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω即按以下公式計(jì)算ω＝ωq+S· (ωm-GT·ωq)/(GT·S)
4.使用據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)試設(shè)備時(shí)，確定衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度的方法，其特征在于根據(jù)太陽敏感器測(cè)定的太陽矢量S和由此推導(dǎo)出的其時(shí)間導(dǎo)數(shù)
，以及已知的速度陀螺儀的測(cè)量信號(hào)ωm，衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω即按以下公式計(jì)算出
5.使用據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)試設(shè)備時(shí)，相對(duì)一預(yù)先給定的太陽矢量S的參考方向確定衛(wèi)星偏移的方法，其特征在于根據(jù)太陽敏感器測(cè)定的太陽矢量S和代表參考方向的太陽參考矢量SR以及速度陀螺儀的測(cè)量信號(hào)ωm，衛(wèi)星偏移矢量d按以下公式算出
6.使用據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)試設(shè)備時(shí)，在小偏移情況下，相對(duì)一個(gè)預(yù)先給出的太陽矢量S的參考方向確定衛(wèi)星偏移的方法，其特征在于根據(jù)太陽敏感器測(cè)定的太陽矢量S和代表參考方向的太陽參考矢量SR以及已知的速度陀螺儀的測(cè)量信號(hào)ωm，衛(wèi)星偏移矢量d按以下公式計(jì)算出
7.使用據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)試設(shè)備和據(jù)權(quán)利要求3～6所述方法時(shí)，用于姿態(tài)控制機(jī)動(dòng)飛行的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星控制系統(tǒng)，帶有若干繞衛(wèi)星本體座標(biāo)軸(XYZ)施加調(diào)節(jié)力矩的調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置和一個(gè)與這些裝置聯(lián)接的控制器，其特征在于一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)處理裝置(4)和一個(gè)開關(guān)裝置(5、6、7)，裝置(4)用于從太陽敏感器和速度陀螺儀的測(cè)量信號(hào)中確定衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω、衛(wèi)星偏移矢量d以及太陽矢量S，裝置(4)還給控制器提供相應(yīng)的輸入信號(hào)，開關(guān)裝置(5、6、7)用于將太陽參考矢量SR和/或一個(gè)指令衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ωC送到控制器(8)的輸入端。
8.使用于據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)中的控制方法，其特征在于控制器(8)按以下形式產(chǎn)生一個(gè)控制調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置(9)的輸出信號(hào)(矢量u)
其中KP和KD表示姿態(tài)及速度放大系數(shù)對(duì)角矩陣，LP和LD則表示信號(hào)限制值。
9.在一據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)中使用的從衛(wèi)星任一起始姿態(tài)開始捕獲太陽的控制方法，在起始姿態(tài)太陽不位于太陽敏感器的可視范圍，其特征在于控制器(8)首先對(duì)調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置(9)給出一個(gè)輸出信號(hào)(矢量u)u＝-KD·G·GT·ω，從而將衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度矢量ω的可由速度陀螺儀測(cè)量的分量GT·ω調(diào)節(jié)到0。此外，如果太陽沒在一個(gè)預(yù)先給定期限內(nèi)照射在太陽敏感器的視場(chǎng)中，調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置(9)將會(huì)得到一個(gè)控制信號(hào)，通過此信號(hào)裝置，(9)給出一個(gè)具有給定值的瞬時(shí)脈沖，以便衛(wèi)星繞一根位于測(cè)量平面(XZ平面)內(nèi)的并通過坐標(biāo)系(XYZ)原點(diǎn)O的軸旋轉(zhuǎn)，使太陽進(jìn)入太陽敏感器的視場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制，其特征在于在一預(yù)定平面太陽敏感器范圍，在與垂直方向測(cè)量范圍局限于平面兩側(cè)夾角范圍，并僅一個(gè)單軸測(cè)量、積分速度陀螺儀，其測(cè)量軸與太陽敏感器設(shè)置平面成一角度為±|β|，其角度為|β|≥(π/2)-α
文檔編號(hào)B64G1/36GK1076419SQ92111379
公開日1993年9月22日 申請(qǐng)日期1992年9月5日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月6日
發(fā)明者M·蘇勞爾, H·比特納, W·菲希特, H·-D·費(fèi)希爾 申請(qǐng)人:德國(guó)航空航天有限公司