专利名称：一种基于多速率敏感器组合定姿的姿控反馈回路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于多速率敏感器组合定姿的姿控反馈回路，属于航天器姿态确 定领域。
背景技术：
作为空间环境探测的主要手段，卫星技术研究尤为重要，各国都投入了大量的人 力物力进行研究。随着航天科技的发展，卫星对姿态稳定指向或机动控制能力要求越来越 高，系统功能也越来越复杂，运行寿命要求更长，卫星的效能越来越高，开始具备执行多任 务的能力。总体上讲，多任务、高精度、长寿命、高可靠性的卫星已成为新的发展趋势。卫星系统中最重要的技术之一是姿态控制系统的设计，它主要包括姿态确定与姿 态控制。姿态确定是研究卫星相对于某个基准的姿态定位，姿态控制是指卫星在规定或预 先确定的方向上定向的过程。随着对卫星高精度、长寿命、高可靠性的要求不断提高，对于 卫星姿态控制系统的精度和稳定性要求越来越高，而提高姿态控制的前提是提高卫星姿态 确定的精度。卫星姿态确定的精度，不仅取决于各敏感器的精度，还与姿态确定算法有关。 为了保证姿态确定算法的正确性、有效性，降低卫星研制风险，需要通过大量的地面仿真实 验对姿态确定算法进行验证。目前，卫星上所用姿态敏感器的输出频率不同，即具有多速率 特性。
发明内容
本发明的技术解决问题是针对卫星上所用敏感器输出频率不同的问题，利用多 尺度分析方法进行姿控反馈回路中多速率敏感器组合定姿建模，在降低组合定姿复杂性的 同时，提高定姿精度。本发明的技术解决方案是一种基于多速率敏感器组合定姿的姿控反馈回路，由 姿态敏感器子系统(4)、基于多尺度建模的姿态确定子系统(5)和姿态控制子系统(6)组 成。各子系统如下1、姿态敏感器子系统输出具有多速率特性的测量信息姿态敏感器子系统(4)包括陀螺(1)、太阳敏感器(2)和磁强计(3)，陀螺(1)、太 阳敏感器(2)和磁强计(3)分别产生卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态角速度、本 体坐标系下的太阳矢量和地磁矢量。陀螺、太阳敏感器和磁强计输出测量信息的频率不同， 其中陀螺和太阳敏感器的输出频率是磁强计输出频率的两倍，即姿态敏感器子系统4输出 的测量信息具有多速率特性。2、基于多尺度建模的姿态确定子系统估计卫星姿态基于多尺度建模的姿态确定子系统(5)以四元数和陀螺漂移为状态变量；基于姿 态运动学和陀螺数学模型建立姿态确定状态方程；基于太阳敏感器和磁强计的观测信息， 利用多尺度分析方法建立卫星姿态确定子系统的多尺度模型；最后在多尺度建模的基础上 利用UKF滤波算法，将姿态敏感器子系统(4)输出的具有多速率特性的测量信息进行融合，实现对当前卫星姿态角的估计，将卫星姿态角输出给姿态控制子系统(6)。3、姿态控制子系统控制卫星姿态姿态控制子系统(6)包括姿态控制器和执行机构两部分。姿态控制子系统(6) 根据期望姿态角与基于多尺度建模的姿态确定子系统(5)估计的姿态角之间的偏差，通过 姿态控制器和执行机构对卫星姿态进行控制，再经过卫星动力学模型和运动学模型输出卫 星控制后的姿态信息，最后将姿态信息输出到姿态敏感器子系统(4)，从而形成姿控反馈回路。本发明的原理是卫星姿态控制反馈回路主要由姿态敏感器子系统、姿态确定子 系统、姿态控制器和执行机构组成。姿态敏感器子系统用于输出多速率姿态测量信息，并基 于这些信息，利用多尺度方法估计出当前姿态角；姿态控制器根据期望姿态角与估计出的 当前姿态角之间的偏差产生控制信息，驱动执行机构控制卫星姿态，最后通过卫星姿态动 力学和运动学计算出被控制后的姿态角，并反馈到姿态敏感器子系统中，从而形成姿控反 馈回路。本发明与现有技术相比的优点在于利用多尺度分析方法，建立姿控反馈回路中 姿态确定子系统的多尺度系统模型，在降低组合定姿复杂性的同时，提高定姿精度。
图1为本发明的一种基于多速率敏感器组合定姿的姿控反馈回路框图；
具体实施例方式如图1所示，本发明的仿真回路由姿态敏感器子系统4、基于多尺度建模的姿态确 定子系统5和姿态控制子系统6组成。具体如下1)、姿态敏感器子系统输出具有多速率特性的测量信息姿态敏感器子系统4包括陀螺1、太阳敏感器2和磁强计3，分别产生本体坐标系 相对于惯性坐标系的姿态角速度、卫星本体坐标系下的太阳矢量和地磁矢量。陀螺、太阳敏 感器和磁强计输出测量信息的频率不同，其中陀螺和太阳敏感器的输出频率是磁强计输出 频率的两倍，即姿态敏感器子系统4输出的测量信息具有多速率特性。a.陀螺测量信息的产生陀螺1输出的本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态角速度，其产生数据的具体步 骤如下①由欧拉角微分方程计算本体坐标系相对于轨道坐标系的角速度设卫星由轨道坐标系到本体坐标系按Z-X-Y顺序旋转，令ρ、θ和ψ分别为横滚 角、俯仰角和偏航角。根据欧拉角微分方程可得卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的姿态
角速度ωb ob为
权利要求
1.一种基于多速率敏感器组合定姿的姿控反馈回路，其特征在于由姿态敏感器子系 统(4)、基于多尺度建模的姿态确定子系统(5)和姿态控制子系统(6)组成，其中①姿态敏感器子系统(4)包括陀螺(1)、太阳敏感器(2)和磁强计(3)，陀螺(1)、太阳 敏感器(2)和磁强计(3)分别产生卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态角速度、本体 坐标系下的太阳矢量和地磁矢量；陀螺、太阳敏感器和磁强计输出测量信息的频率不同，其 中陀螺和太阳敏感器的输出频率是磁强计输出频率的两倍，即姿态敏感器子系统(4)输出 的测量信息具有多速率特性；②基于多尺度建模的姿态确定子系统(5)用于估计卫星姿态角，先利用多尺度分析方 法建立卫星姿态确定子系统多尺度模型，然后在多尺度建模的基础上利用UKF滤波算法， 将姿态敏感器子系统(4)输出的具有多速率特性的测量信息进行融合，实现对当前卫星姿 态角的估计，最后将卫星姿态角输出给姿态控制子系统(6)；③姿态控制子系统(6)根据期望姿态角与基于多尺度建模的姿态确定子系统(5)估计 的姿态角之间的偏差，通过姿态控制器和执行机构对卫星姿态进行控制，再经过卫星动力 学模型和运动学模型输出卫星控制后的姿态信息，最后将姿态信息输出到姿态敏感器子系 统(4)，从而形成姿控反馈回路。
2.根据权利要求1所述的一种基于多速率敏感器组合定姿的姿控反馈回路，其特征在 于所述基于多尺度建模的姿态确定子系统(5)利用多尺度分析方法建立卫星姿态确定子 系统多尺度模型的过程如下a.多尺度状态空间投影以四元数和陀螺漂移为状态变量，X=[q。Q1 q2 Q3 bx by bj T，其中如和^ =[名q2 分别为四元数的标量部分和矢量部分，b = [bx by bz]T为陀螺 XYZ三个轴上的漂移，状态变量的维数Nx = 7 ；由于陀螺和太阳敏感器的输出频率是磁强计 输出频率的两倍，则太阳敏感器对应于细尺度，即尺度1，磁强计对应于粗尺度，即尺度2 ； 设ΔΤ为磁强计的输出周期，ΔΤ时间间隔内两个尺度上的状态称为一个状态块，测量称为 一个数据块；用η表示第η个时间块，即第η Δ T时间间隔；Xl (2η)和X1 (2η+1)表示第η Δ T 时间间隔内尺度1上两个状态节点的状态，x2 (η)表示第η Δ T时间间隔内尺度2上的状态； 姿态确定子系统的多尺度状态结构满足二叉树结构，基于Haar小波，尺度2上的状态χ2 (η) 与尺度1上的状态X1 (2η)和Xl(2n+1)的状态空间投影关系为x2 ( ) = [^X^j (^i + +1))(1)；b.建立多尺度状态方程基于Haar小波的姿态确定子系统多尺度状态方程为「厂(《 + 1,0)]、xO + 1)=(2)其中χ, (2n + 2)3c( + l)= 1(3)χ, (2n + 3)F (n+1,0) = f (X1 (2n+l)) +w (2n+l)(4)F (n+1，1) = f [f (X1 (2n+l)) +w (2n+l) ] +w (2n+2) (5)式中，X1 (2n+2)和X1 (2n+3)表示第(η+1) ΔΤ时间间隔内尺度1上两个状态节点的状 态；
全文摘要
本发明涉及一种基于多速率敏感器组合定姿的姿控反馈回路，该回路包括姿态敏感器子系统、基于多尺度建模的姿态确定子系统和姿态控制子系统。姿态敏感器子系统由陀螺、太阳敏感器和磁强计组成，输出具有多速率特性的姿态测量信息；姿态确定子系统利用多尺度分析方法对各敏感器的测量信息在不同尺度上进行描述，基于所建立的多尺度模型对卫星姿态角进行估计；姿态控制子系统对卫星姿态进行控制，并将控制后的姿态信息反馈到姿态敏感器子系统，从而形成姿态控制回路。本发明的姿控反馈回路利用多尺度分析方法进行了多尺度建模，在降低组合定姿过程的复杂性的同时，提高了姿态确定精度。
文档编号B64G1/36GK102114918SQ201010623898
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者全伟, 崔培玲, 张会娟, 张翠, 房建成 申请人:北京航空航天大学