一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于皮纳卫星技术领域，特别涉及一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制 装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 皮纳卫星领域飞速发展，各单位、高校争相进入皮纳卫星领域，作为一个新兴产 业，它拥有广阔的市场前景。在单位企业里，微小卫星以其实现成本低，设计时间周期短等 的快速响应能力应用在应急通信、空间组网等领域。在高校教育中，其低成本、高集成的特 性使得皮纳卫星可以很好的融入创新与学习，对学生的发展很有帮助，所以被很多大学所 重视。当下已有多所大学的小卫星发射成功。
[0003] 皮纳卫星的姿态确定与控制系统（Attitude Determination and Control System简写为ADCS)为小卫星提供姿态控制能力，它由姿态敏感器、姿态控制执行器与姿控 计算机组成。姿态敏感器配合姿控计算机可以提供卫星姿态信息，通过姿控计算机对陀螺 仪、卫星导航接收机(GNSS)和磁强计、太阳敏感器、星敏感器等姿态敏感器采集的信息进行 处理，解算出当前卫星的姿态，为姿态控制提供保障。姿态控制执行器是姿态控制算法的执 行机构，主要包括反作用飞轮、磁力矩器和微推进器等，通过姿控计算机中运行的姿态控制 算法真正实现小卫星的姿态控制。姿控计算机提供姿态确定、姿态控制以及数据存储功能， 皮纳卫星种类多样，外形多样，结构多样，根据用户的需求设计不同的皮纳卫星上。
[0004] 现在已经研制成功并试飞成功的一些皮纳卫星，由于体积和功耗相比于IOOkg级 小卫星又降低了 1到2个数量级，所以只有很少部分拥有姿态确定与控制功能，拥有ADCS的， 也都是针对自己研制的小卫星，量身定做，集成在系统内部，重新研制小卫星时需要再次研 制其ADCS，没有移植性，并且无法接入其他单位制作的小卫星中。即使有可以应用在其他卫 星上的ADCS，也必须是经过硬件修改之后才可以。归结就是没有通用的接口设计，或者没有 自己的处理器，需要其他使用卫星的处理器，这样对星务软件的独立设计又提出了巨大要 求。这些ADCS很难在着眼于皮纳卫星其他领域应用的企业和高校中推广，无法为其制造便 捷的解决方案。这就使得皮纳卫星的研制周期加长，影响研究课题的进度。现在国内没有针 对皮纳卫星的模块化通用ADCS产品。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置及其方法，该装 置为模块化设计提高了其通用性。
[0006] 为达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
[0007] 方案一：
[0008] -种皮纳卫星的模块化姿态确定与控制装置，其特征在于:包括用于测定皮纳卫 星姿态的姿态敏感单元，用于根据皮纳卫星姿态发出命令信号的姿控计算机，用于执行姿 控计算机发出的命令的姿态控制执行单元；
[0009] 所述姿态敏感单元包含用于测量皮纳卫星在惯性系下的角速度的陀螺仪，用于测 量卫星本体坐标系下地磁场矢量的磁强计，用于测量卫星本体坐标系下太阳矢量的太阳敏 感器，用于测量皮纳卫星的位置信息的卫星导航接收机，所述姿控计算机的四个输入端分 别对应电连接所述陀螺仪的输出端、卫星导航接收机的输出端、磁强计的输出端、太阳敏感 器的输出端；
[0010] 所述姿态控制执行单元包含磁力矩器驱动单元，用于完成对皮纳卫星实时姿态控 制的磁力矩器，所述姿控计算机的输出端电连接磁力矩器驱动单元的输入端，所述磁力矩 器驱动单元的输出端电连接磁力矩器的控制端。
[0011]上述技术方案的特点和进一步改进：
[0012] 进一步的，所述姿态敏感单元还包含温度传感器和模拟量电流传感器，所述温度 传感器的输出端和模拟量电流传感器的输出端对应电连接所述姿控计算机的两个输入端。
[0013] 进一步的，所述姿态敏感单元、姿控计算机和姿态控制执行单元设置在外壳内，所 述外壳的底部设置为开口状，所述外壳的下底面设置有向外延伸的折弯面，所述折弯面上 设置有多个通孔，所述外壳的侧壁上设置有供电接口。
[0014] 进一步的，所述外壳内还设置有5V升压模块和3.3V稳压模块，所述供电接口与5V 升压模块电连接，所述3.3V稳压模块与5V升压模块电连接。
[0015]进一步的，所述供电接口为J30J-9ZKW-J接口，所述磁力矩器为三轴磁力矩器，所 述姿控计算机采用单片微型计算机。
[0016]方案二：
[0017] 一种皮纳卫星的姿态确定与控制方法，基于上述皮纳卫星的模块化姿态确定与控 制装置，其特征在于:包括以下步骤，
[0018] 步骤一，定义卫星本体坐标系为0bxyz，参考坐标系为轨道坐标系Ooxyz，太阳矢量 和地磁场矢量在0〇xyz中分别为Si、S2,太阳矢量和地磁场矢量在Obxyz中分别为si's2%
[0019] 步骤二，皮纳卫星进入任务设定轨道后，在姿控计算机内预存有皮纳卫星的旋转 角度的设置阈值A w，陀螺仪实时测量皮纳卫星的旋转角度w，旋转角度w大于姿控计算机内 的设置阈值A w，启动姿态消旋控制对皮纳卫星进行消旋处理，直至旋转角度w小于等于姿 控计算机内的设置阈值A w后，进入姿态确定和姿态捕获控制的循环阶段。
[0020] 上述技术方案的特点和进一步改进：
[0021] (1)进一步的，所述消旋处理通过B-dot方法对皮纳卫星进行速率阻尼，
[0022] B-dot方法的计算式为：
[0023] M6 = -Mb,
[0024]式中，Mb为卫星输出磁矩，
[0025] K为消旋控制率，
[0026] Bb为地磁场矢量在卫星本体坐标系中的投影，通过磁强计测量得到，
[0027] 式为说的变化率，
[0028]则，磁力矩器输出消旋力矩对皮纳卫星进行消旋处理，磁力矩器输出的消旋力矩 C 为:C ?。
[0029] (2)进一步的，所述姿态确定的过程为，
[0030] 设S3 = SI X S2，S3*= SI* X S2* ;令SI、S2、S3三个矢量组成矩阵S的三列
[0031] S= (Si S2 S3)，
[0032] 令矩阵s*为P 二 C5I 名.?'),
[0033] 则有
[0034] AMb为轨道坐标系到本体坐标系的姿态旋转矩阵，
[0035] S、S*不共线，矩阵S可逆，Ac^ = St1,
[0036] 根据姿态动力学中姿态旋转矩阵Aeb与欧拉角的转换关系反推欧拉角的值为：
[0037]
[0038] 式中，a21代表姿态旋转矩阵AMb当中2行1列的元素，an代表姿态旋转矩阵AMb当中 1行1列的元素，a31代表姿态旋转矩阵Ah当中3行1列的元素 a32代表姿态旋转矩阵Ah当中3 行2列的元素，a33代表姿态旋转矩阵Ad当中3行3列的元素;从而完成姿态确定。
[0039] (3)进一步的，所述姿态捕获控制采用ro控制，
[0040] 设期望磁控力矩T。：
[0041]
[0042] 式中:Kp为比例参数，
[0043] Kd为微分参数，
[0044] Θ为余仰角，Θ = 90°-δδ为卫星的赤炜；
[0045] 4为余仰角速度，
[0046]期望磁控力矩Tc的三轴分量为TcxJc^Tcz，将期望磁控力矩T c的三轴分量Tcx、Tcy、 Tcz大小按照顺序排列有如下六种排列方式：
[0047] Tcx>Tcy>Tcz、Tcx>T cz>Tcy、Tcy>Tcx>T cz、Tcy>Tcz>Tcx、Tcz>T cx>Tcy、Tcz>Tcy> T cx，
[0048] 通过公式Tc = Cr〇SS(M，Bb)，在不同排列方式下可以分别解得一组卫星输出磁矩M (i)：
[0049] M(i) = [mxi、myi、mzi]，
[0050] 其中，i = l、2、3、4、5、6，
[00511 mxi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中x轴上的分量，
[0052] myi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中y轴上的分量，
[0053] mzi为卫星输出磁矩M(i)在卫星本体坐标系中z轴上的分量，
[0054] 则：Tb(i)=M(i) XBb，
[0055] 式中，Tb(i)为每一种可能性下的实际能输出的力矩；
[0056] 设 dis(i)=||TcHTb(i)||，
[0057] 使得dis (i)最小的卫星输出磁矩M( i)为最优卫星输出磁矩M，
[0058]则，磁力矩器输出姿态捕获控制力矩对皮纳卫星进行姿态捕获控制处理，磁力矩 器输出的姿态捕获控制力矩Tb为：
[0059] Tb = cross(M，Bb'），
[0060] 其中，Bb'为卫星本体坐标系中地磁场矢量量测值。
[0061 ] (4)进一步的，在六种不同排列方式下，所述卫星输出磁矩M( i)的计算过程如下：
[0062] Bb 的三轴分量为 Bbx、Bby、Bbz，
[0063] Tcy>Tcx>Tcz 时：
[0064] 在 I Bbx I > I Bbz I 的状态下，设mz = Tcy/Bbx，然后判断是否 |mz I >mmax，若 |mz I >mmax为 否，则Ι?ζ - Π?ζ且Hlx - 0，右 I Π?ζ I〉fflmax为疋，则设Π?ζ - Sigll (Π?ζ )!Umax且Π?χ - _( Tcx-IIlzBbx) /Bbz ;再?丨J 断是否 |mx| >mmax，若 |mx| >mmax为是，则mx = sign(mx)mmax，若 |mx| >mmax为否，则mx=mx;
[0065] 在 |Bbx| < |Bbz I 的状态下，设mx=-TCy/Bbz，然后判断是否 |mx| >mmax，若 |mx| >mmax为 否，则mx=mx且mz = 0，若 I mx I > mmax为是，则设nix = s i gn (mz) mmax且mz = (TCy-mxBbz) /Bbx，再判断 是否 |mz I >mmax，若 |mz I >mmax为是，则mz = sign(mz)mmax，若 |mz I >mmax为否，则mz=mz; Tx+m.Mln.
[0066] 然后计算my，Wv .=-:--.再判断是否 |my I >mmax，若 |my I >mmax为是，则rny = %.z： S ign (niy )mmax，右* I Hly I〉ITlinax力J ，贝丨Jniy -ITly ；
[0067] Tcz>Tcy>TcJ寸：
[0068] 在 I Bby I > I Bbx I 的状态下，设mx = Tcz/Bby，