一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法与流程

本发明属于航天器姿轨控制领域，涉及一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法。

背景技术：

静止轨道卫星在转移轨道变轨期间建立远地点姿态过程中，利用太阳敏感器测量角和其他敏感器测量的两轴姿态数据确定第三轴姿态。使用太阳敏感器13/43定偏航姿态、太阳敏感器61定滚动姿态、太阳敏感器62定俯仰姿态。以往的计算方法利用解析微分求导方法，推导出的利用4个太敏定姿的计算方法不统一，公式形式不一致，导致本身是空间对称的问题丧生了对称美，而且计算过程因采用解析方法导致物理意义不明显。

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，提出一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，利用太敏测量角确定卫星单轴姿态，得到了统一的利用太敏测量角和其他敏感器测量得到的卫星两轴姿态确定卫星第三轴姿态的计算方法，对于滚动、俯仰和偏航角计算公式一致，物理概念清晰明确。

本发明解决技术的方案是：

一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，包括如下步骤：

步骤一、建立太阳敏感器自身的测量坐标系on1n2n3；测量太阳相对于太阳敏感器的太阳矢量以on1n3-n2建立球坐标系；

步骤二、从旋转角度方面计算太敏测量角ψ″′ss；

步骤三、从轨道角速度方面计算太敏测量角ψ″ss；

步骤四、计算定姿角ψo。

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述步骤一中，测量坐标系on1n2n3的建立方法为：原点o为太阳敏感器质心，n1垂直太阳敏感器安装面指向太敏棱镜方向；n2平行于太阳敏感器狭缝正方向；n3由右手定则确定。

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述步骤二中，从旋转角度方面计算太敏测量角ψ″′ss的具体方法为：

s1、测量太敏测量角初始值为ψss；

s2、将球坐标系on1n3-n2绕-n2轴旋转ψ角度，计算太敏测量角的增量；

s3、将球坐标系on1n3-n2绕n1轴旋转β1角度，计算太敏测量角的增量；

s4、将球坐标系on1n3-n2绕n3轴旋转β3角度，计算太敏测量角的增量；

s5、计算球坐标系on1n3-n2依次旋转ψ、β1、β3角度后的太敏测量角ψ″′ss。

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述0＜ψ≤60°；0＜β1≤5°；0＜β3≤5°。

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述步骤二的s2中，当球坐标系旋转ψ角度后，太敏测量角的增量为ψ；所述步骤二的s3中，当球坐标系旋转β1角度后，太敏测量角的增量为所述步骤二的s4中，当球坐标系旋转β3角度后，太敏测量角的增量为

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述步骤二的s5中，太敏测量角ψ″′ss的计算方法为：

ψ″′ss＝ψss+ψ-ctgαcosψssβ1-ctgαsinψssβ3

式中，ψss为太敏测量角初始值；

α为太阳矢量与n2轴的夹角。

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述步骤三中，从轨道角速度方面计算太敏测量角ψ″′ss的具体方法为：

s1、测量t0时刻的太敏测量角初始值为ψss0；测量在t0时刻轨道角速度在测量坐标系on1n2n3中的投影为[ω1,ω2,ω3]；

s2、测量在δt时间内，测量坐标系on1n2n3分别绕n1、n2、n3轴旋转了[ω1δt,ω2δt,ω3δt]；

s3、计算太敏测量角ψ″′ss。

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述步骤三的s3中，太敏测量角ψ″ss的计算方法为：

式中，ψss0为t0时刻的太敏测量角初始值；

α为太阳矢量与n2轴的夹角。

在上述的一种滚动俯仰偏航太阳敏感器定姿角的计算方法，所述步骤四中，定姿角ψo的计算方法为：

式中，ψ″′ss为从旋转角度方面计算的太敏测量角ψ″′ss；

ψss0为从轨道角速度方面，t0时刻的太敏测量角初始值；

α为太阳矢量与n2轴的夹角；

ψ″ss为从轨道角速度方面计算太敏测量角。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用了几何变换和空间球坐标方法求解太敏定姿角，提高了太敏定姿角算法公式在形式上的一致性，实现了4种太敏在滚动、俯仰和偏航3个方向下定姿角计算方法完全统一一致；

(2)本发明采用了将轨道角速度分解到太敏测量坐标系三轴上再利用三轴转动对太敏测量角的影响公式进而求出太敏测量角随时间的变化率，提高了太敏测量角随时间变化规律计算的简便性，实现了无需类似现有技术通过轨道递推和姿态求解等步骤来计算太敏测量角变化规律的方法，减少了计算量；

(3)本发明通过定义太阳矢量在太敏测量系下的方位角和仰角概念，利用几何旋转方法通过先考虑正向问题——姿态变化对太敏测量角的影响，进而得出反问题——利用太敏测量角确定姿态，实现了太敏定姿角计算方法，对于滚动、俯仰和偏航角计算公式一致，物理概念清晰明确。

附图说明

图1为本发明定姿角计算流程图；

图2为本发明太阳敏感器自身的测量坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本专利通过定义太阳矢量在太敏测量系下的方位角和仰角概念，利用几何旋转方法通过先考虑正向问题——姿态变化对太敏测量角的影响，进而得出反问题——利用太敏测量角确定姿态，得到了太敏定姿角的计算方法，对于滚动、俯仰和偏航角计算公式一致，物理概念清晰明确。

太阳敏感器定姿角的计算方法，具体如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、建立太阳敏感器自身的测量坐标系on1n2n3；如图2所示，测量坐标系on1n2n3的建立方法为：原点o为太阳敏感器质心，n1垂直太阳敏感器安装面指向太敏棱镜方向；n2平行于太阳敏感器狭缝正方向；n3由右手定则确定。测量太阳相对于太阳敏感器的太阳矢量以on1n3-n2建立球坐标系；

步骤二、考虑太敏绕其自身测量坐标系的各轴旋转时对太敏测量角的影响，从旋转角度方面计算太敏测量角ψ″′ss；具体方法为：

s1、测量太敏测量角初始值为ψss；

s2、将球坐标系on1n3-n2绕-n2轴旋转ψ角度，计算太敏测量角的增量；0＜ψ≤60°；当球坐标系旋转ψ角度后，太敏测量角的增量为ψ。

s3、将球坐标系on1n3-n2绕n1轴旋转β1角度，计算太敏测量角的增量；0＜β1≤5°；当球坐标系旋转β1角度后，太敏测量角的增量为具体的推导过程如下：

沿n1n3(-n2)轴建立球坐标系，旋转前太阳矢量在球坐标系中的坐标为转化为直角坐标为(x,y,z)＝(sinαcosψss,sinαsinψss,-cosα)，绕n1轴转β1，在新的坐标系中，根据旋转矩阵定义得到：

太敏测量角：

将tg函数一阶泰勒近似，得到：

δψ＝-cotαcosψssβ1。

s4、将球坐标系on1n3-n2绕n3轴旋转β3角度，计算太敏测量角的增量；0＜β3≤5°。当球坐标系旋转β3角度后，太敏测量角的增量为推导过程如s3.

s5、计算球坐标系on1n3-n2依次旋转ψ、β1、β3角度后的太敏测量角ψ″′ss；太敏测量角ψ″′ss的计算方法为：

ψ″′ss＝ψss+ψ-ctgαcosψssβ1-ctgαsinψssβ3

式中，ψss为太敏测量角初始值；

α为太阳矢量与n2轴的夹角。

步骤三、式中ψ″′ss为目标姿态(或点火姿态)下太敏测量角，由于轨道系在旋转(太阳方向矢量在点火过程中在惯性系下认为不变)，太敏测量角随时间在变化，t0时刻记为ψss0。设t0时刻轨道角速度在太敏测量坐标系n1n2n3下的投影为[ω1,ω2,ω3]，在δt时间内，太敏测量坐标系绕n1n2n3轴旋转了[ω1δt,ω2δt,ω3δt]，套用上面的分析结果，需要从轨道角速度方面计算太敏测量角ψ″ss；从轨道角速度方面计算太敏测量角ψ″ss的具体方法为：

s1、测量t0时刻的太敏测量角初始值为ψss0；测量在t0时刻轨道角速度在测量坐标系on1n2n3中的投影为[ω1,ω2,ω3]；

s2、测量在δt时间内，测量坐标系on1n2n3分别绕n1、n2、n3轴旋转了[ω1δt,ω2δt,ω3δt]；

s3、计算太敏测量角ψ″ss。太敏测量角ψ″ss的计算方法为：

式中，ψss0为t0时刻的太敏测量角初始值；

α为太阳矢量与n2轴的夹角。

步骤四、计算定姿角ψo。

定姿角ψo的计算方法为：

式中，ψ″′ss为从旋转角度方面计算的太敏测量角ψ″′ss；

ψss0为从轨道角速度方面，t0时刻的太敏测量角初始值；

α为太阳矢量与n2轴的夹角；

ψ″ss为从轨道角速度方面计算太敏测量角。

即得到了太阳敏感器的定姿角ψo的表达式。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。