一种基于太阳矢量信息的卫星自旋姿态确定方法与流程

本发明属于卫星姿态控制领域，涉及一种卫星自旋姿态的确定方法。

背景技术：

当卫星在轨期间，由于异常导致星体角速度过大时，为了保证卫星系统的安全性，需要及时了解卫星能源状态；同时，为了保障系统能源安全性而及时采取有效措施，均需要获取卫星自旋轴与太阳矢量的方位信息。

现有的方法主要依靠陀螺对卫星的角速度进行测量，进而采取喷气等措施对卫星进行消旋，但陀螺的量程有限，在卫星大角速度情况下，陀螺会发生饱和，从而导致无法获取卫星的角速度。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于太阳矢量信息的卫星自旋姿态确定方法，利用太阳矢量在星体系下的位置变化，求解出星体的自旋轴及角速度大小，解决了现有技术中当卫星在轨异常导致角速度过大引起陀螺饱和无法获取卫星自旋信息的问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于太阳矢量信息的卫星自旋姿态确定方法，包括：

(1)利用太阳敏感器测量得到在星体坐标系下描述的太阳矢量S_b，并记在一个时间序列上测量得到的太阳矢量序列为S_bk，k＝1、2、3、……、N，N为正整数；

(2)在S_bk中，针对K取满足n>m、p>1的正整数m、n、p，并相应提取太阳矢量测量值序列中的四个值S_bm、S_bm+p、S_bn、S_bn+p，计算得到星体自旋轴及自旋角速度大小|ω|：

ΔS_bmp＝S_bm+p-S_bm、ΔS_bnp＝S_bn+p-S_bn

其中Δt为太阳矢量序列中先后两个测量值之间的时间间隔。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法完全基于太阳矢量信息而提出，避免了现有技术中由于大角速度陀螺饱和而无法获知卫星角速度信息的问题，并且可以推广到无陀螺情况下来确定卫星角速度；

(2)本发明方法给出了根据太阳敏感器的测量精度来选取测量值计算卫星角速度的策略，可以在卫星消旋控制过程中，特别是在卫星角速度较小的情况下依然能够保持计算精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明实施例中自旋轴在星体系下的位置示意图；

图3为本发明实施例中的自旋角速度的大小示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于太阳矢量信息的卫星自旋姿态确定方法，包括如下步骤：

S1，利用太阳敏感器测量得到在星体坐标系(通常星体坐标系定义为：原点在卫星质心，对接环方向为-X方向，帆板方向为Y方向，Z方向符合右手定则)下描述的太阳矢量S_b，在一个时间序列上测量得到太阳矢量序列S_bk，k＝1、2、3、……、N，N为正整数。不失一般性，假设测量序列的时间间隔等长，为Δt；

S2，在S_bk中，任取连续的三个太阳矢量测量值，即可计算星体自旋轴方向在星体坐标系下的单位方向矢量及自旋角速度大小|ω|，计算方法如下：

假设连续观测时刻T1、T1+Δt、T1+2*Δt对应的三个太阳矢量测量值为S_bT1、S_bT2、S_bT3，则：

ΔS_b21＝S_bT2-S_bT1、ΔS_b32＝S_bT3-S_bT2 (1)

上述三个公式的原理来自于：绕空间一个固定轴旋转的单位方向矢量，其旋转轴方向及旋转角速度，可以由该单位方向矢量变化量及变化率计算得到。在本发明中，太阳矢量短时间内在惯性空间是固定的，太阳矢量的变化量是由卫星的旋转导致的，因此可以通过计算太阳矢量的变化量得到卫星的旋转轴及旋转角速度。其中公式(1)计算得到太阳矢量的变化量，公式(2)根据太阳矢量的变化量计算卫星的自旋轴，公式(3)根据太阳矢量的变化率计算卫星的自旋角速度大小。

S3，当星体自旋角速度在消旋过程中会逐渐降低，造成在两次采样间太阳矢量在星体坐标系下的变化也越来越小，由于受到太阳敏感器测量精度影响，由连续两次间隔的数据进行自旋轴确定将会使得确定误差变得越来越大。

为了克服太阳敏感器对确定精度的影响，根据太阳敏感器测量误差对确定精度的影响分析与测量的精度需求，需要根据自旋角速度大小来调整数据间隔，策略如下：

取正整数m、n、p，满足n>m、p>1，则取太阳矢量测量值序列中的四个值S_bm、S_bm+p、S_bn、S_bn+p，计算公式如下：

ΔS_bmp＝S_bm+p-S_bm、ΔS_bnp＝S_bn+p-S_bn (4)

上述三个公式的原理与公式(1)～(3)相同，不同之处在于对太阳矢量的变化量计算上。在卫星自旋角速度较大时，单位时间内太阳矢量变化量大，可以用公式(1)计算，当卫星自旋角速度较小时，单位时间内太阳矢量变化量较小，则太阳敏感器的测量噪声对于结果的影响较大，为了获取较大的太阳矢量变化量，需要拉长两次测量的时间间隔，这也就是公式(4)与公式(1)的区别。

实施例

以某在轨卫星为例，星体角速度过大导致所有的陀螺全部饱和，无法用于判断卫星自旋状态。该卫星配置两个太阳敏感器，在此情况下存在有效的测量值，如下表：

根据上表利用本发明方法进行计算。

首先，在每个采样时刻可以获取太阳矢量，如在星时100483763、100483765、100483767，分别可以计算得到太阳矢量为：

其次，利用公式(1)～(3)，可以得到卫星自旋轴单位方向矢量和自旋角速度为：

|ω|＝384.8315°/s

最后，对表格中的数据做上述计算，即可得到卫星自旋轴和自旋角速度的计算结果数列，最后得到的星体自旋姿态信息如图2和图3所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。