控制空间飞行器的姿态控制系统的磁耦合器的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间飞行器，例如，在围绕地球的轨道上运行的卫星，的姿态控制领 域。本发明尤其涉及实施磁转矩器以减小姿态控制系统的角动量存储装置的饱和度的控制 方法。
【背景技术】
[0002] 在围绕地球的轨道上运行的卫星的姿态控制系统通常包括角动量存储装置以吸 收作用在所述卫星上的外部干扰转矩（例如，那些由残余的大气阻力引起的、由太阳辐射 压力引起的转矩等）的影响。
[0003] 在传统的方式中，这种角动量存储装置包括惯性驱动器（陀螺仪、反动轮等），该 惯性驱动器被实施以产生姿态控制转矩，该姿态控制转矩的效果补偿了外部干扰转矩的影 响。
[0004] 由于外部干扰转矩的影响是随着时间的推移而积累的，因此，存储装置的角动量 随时间而逐步增加，直到其可能使存储装置饱和，也就是，直到达到所述存储装置的最大容 量。
[0005] 为了避免所述存储装置的丝毫的饱和，以周期性的方式将转矩应用到卫星以通过 角动量的转移来减小所述存储装置的饱和度。
[0006] 例如使用磁转矩器来减小角动量存储装置的饱和度是已知的。
[0007] 磁转矩器是使得在外部磁场的共同作用下有可能产生磁转矩的驱动器。这种磁转 矩器通常在围绕地球的低轨道中的卫星的姿态控制系统中实施，然后所述磁转矩器利用地 磁场来形成磁转矩。
[0008] 然而，在一个特定时刻，并且不论磁转矩器的配置如何，在物理上不可能在当地的 外部磁场的方向上形成磁转矩。
[0009] 另外说明，在一个特定的时刻，在与当地的外部磁场正交的平面（称作"当地的控 制平面"）中，磁转矩器仅能够最多涉及两个轴来减小存储装置的饱和度。然而，如果相对 于存储装置的外部磁场的方向随时间变化，那么存储装置关于第三个轴的减饱和将能够随 后被执行，磁转矩器的当地的控制平面的方向也相对于所述存储装置随时间而变化。
[0010] 发明简沐
[0011] 本发明的目的是提出一个解决方案，使得更普遍地用磁转矩器来改善空间飞行器 的姿态控制的性能，并且该方案尤其可能改善角动量存储系统的减饱和性能。
[0012] 而且，本发明的目的是提出一种实施起来简单并且廉价的解决方案，即使在已经 就位于围绕地球的轨道中的空间飞行器的姿态控制系统中也适用。
[0013] 为了实现该目的，并根据第一方面，本发明涉及一种控制受方向可变的外部磁场 影响的空间飞行器的姿态控制系统的磁转矩器的方法，所述磁转矩器被实施以控制所述空 间飞行器的姿态，并且所述磁转矩器适于在当地的外部磁场的共同作用下，在与所述当地 的外部磁场的方向正交的平面中形成磁转矩，与所述当地的外部磁场的方向正交的平面称 为"当地的控制平面"。该方法具体包括以下步骤：
[0014] -测量当地的外部磁场；
[0015] -作为所需的三个轴姿态控制转矩的函数来确定在当地的控制平面中形成的磁转 矩；
[0016] -以这样的方式控制所述磁转矩器，使得在与当地的外部磁场的共同作用下形成 所确定的磁转矩。
[0017] 并且，该控制方法其特征在于，作为所需的姿态控制转矩的分量的函数来确定在 当地的控制平面中形成的磁转矩，所需的姿态控制转矩的分量与当地的控制平面正交，所 需的姿态控制转矩的分量称为"当地的不可控分量"。在所述当地的不可控分量不为零的情 况下，所形成的当地的不可控分量对磁转矩的贡献不为零。
[0018] 在整个本专利申请中，"当地的"理解为"在所考虑的时刻空间飞行器的水平"。
[0019] 还应该注意到，特别是对于取样的姿态控制系统来说，"所需的姿态控制转矩"还 被理解为意味着在时间间隔ΔΤ期间，角动量ΛΗ的所需的变化，这种情况下，所需的姿态 控制转矩等于ΔΗ/ΔΤ。
[0020] 所需的姿态控制转矩的当地的不可控分量对应于当地的外部磁场的方向上的分 量，并且在当地的外部磁场的方向上的分量上，磁转矩器不能起作用。应该注意到，由于磁 转矩器不能在所述当地的不可控分量上起作用，所以在所有已知的磁转矩的控制方法中， 在确定当地的控制平面中形成磁转矩器的情况下，后者被系统地忽略了。除非另有说明，在 现有技术中，在给定的时刻由磁转矩器执行的作用仅仅考虑位于当地的控制平面中的所需 的姿态控制转矩的分量。
[0021] 与现有技术的控制方法中所执行的相反，根据本发明，所需的姿态控制转矩的当 地的不可控分量考虑确定在当地的控制平面中形成的磁转矩。
[0022] 事实上，虽然在局部并不起作用，并且与本领域技术人员的偏见相反，但是已经看 出，当所述磁转矩器被实施以对角动量存储装置进行减饱和时，通过考虑当地的不可控分 量，已经有可能随着时间的推移来改善关于三个轴的姿态控制的性能，特别是关于三个轴 的减饱和性能。
[0023] 为了实施根据本发明的控制方法，现有技术的控制的方法的软件修正通常就足够 了。因此，根据发明的控制的方法将能够实施，即便是在已经就位并用配备有远程软件更新 方法的卫星中。
[0024] 在实施的特定模式中，控制方法还能够包括一个或多个以下特征，这些特征可以 单独加入或根据所有技术上的可能的组合来加入。
[0025] 在实施的特定模式中，根据外部磁场方向的时间变化的模型的函数，进一步确定 在当地的控制平面中形成的所需的姿态控制转矩的当地的不可控分量对磁转矩的贡献。
[0026] 这种提供是有益的，因为通过考虑相对于空间飞行器的外部磁场的方向的时间变 化的模型，有可能增加并控制控制带宽，所以，比较用现有技术的控制方法，可能有关于三 个轴的更多应对姿态控制的措施。例如，在角动量存储装置与外部的干扰转矩相关的减饱 和的情况下，存储装置的角动量中的偏移将能够减小，并且，将有可能考虑比现有技术的存 储装置所需的最大容量更小的存储装置。
[0027] 在实施的特定模式中，空间飞行器在轨道平面行进，确定所形成的磁转矩包括在 以所述空间飞行器为中心并由三个轴X，Y和Z定义的磁参考坐标系中，角动量的所需变化 的表达