一種火星探測器自主對地定向控制方法

2023-05-01 10:33:41

專利名稱：一種火星探測器自主對地定向控制方法
技術領域：
本發明涉及火星探測器對地球定向姿態控制技術，尤其是用於火星探測器任意姿 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，符合最小硬體配置原 則。
背景技術：
國內研製火星探測器，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、地球公轉軌道及星曆遞推來確定對地定向基準，另外，由於火星與地球 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，需要研製一種火星探測器自主對地定向技術。發明內容
針對現有技術不足，本發明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，採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，本發明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、火星的星曆得到火星對地球指向矢量，根據對地坐標系的定義， 計算慣性坐標繫到對地定向基準坐標系的轉換四元數；
2.採用前饋+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.對地機動完成後，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；
本發明採用的方法與現有技術相比，其優點和有益效果是
該發明方法，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。


以下將結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明方法對地定向關係示意圖。
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，完成對地機動後，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I 和地球公轉軌道的法線矢量he確定。火星與地球連線並指向地球為+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
權利要求
1.火星探測器自主對地定向控制方法，其特徵在於包括如下步驟 1)根據地球、火星的星曆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繫到對地定向基準坐標系的轉換四元數； 2)採用前饋+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)對地機動完成後，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，其特徵在於所述步驟1-1)中， 日心地球赤道慣性坐標繫到對地定向基準坐標系的轉換四元數iEi計算公式為
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，其特徵在於所述步驟1-2)中對地機動過程中飛輪指令計算公式為
4.根據權利要求3所述的火星探測器自主對地定向控制方法，其特徵在於所述步驟1-3)中，對地定向穩態模式下閉環控制律計算公式為
全文摘要
本發明公開一種火星探測器自主對地定向控制方法，使用於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。
文檔編號G01C21/02GK103019252SQ20111028986
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月27日 優先權日2011年9月27日
發明者尹海寧, 聶章海, 周連文, 李芳華, 杜寧, 蔡陳生, 袁彥紅 申請人:上海航天控制工程研究所