一种使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法与流程

本发明涉及航天器姿态控制，特别涉及一种使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法。

背景技术：

1、相比于反作用飞轮、控制力矩陀螺或者推进系统，而磁力矩器具有质量轻、功耗低和结构简单等特点，适用于某些对于姿态控制精度不高的微小卫星的姿态控制。或者针对卫星在轨期间出现飞轮等原有的控制执行机构故障的情况，通过使用磁力矩器进行备份控制，保证卫星太阳帆板能够对日定向。

2、卫星的在轨期间会受到重力梯度力矩、大气阻力矩、剩磁力矩等空间干扰力矩的作用，相比于飞轮等执行机构，磁力矩器的力矩输出能力较弱。空间干扰力矩相比于磁力矩器输出力矩的比例较大，可对卫星姿态控制会造成较大的影响。同时，磁力矩器的输出力矩具有只能输出垂直于地球磁场方向的力矩的特点，本质上在同一时刻只能进行两轴控制，无法根据当前的姿态控制偏差输出最优的期望控制力矩。甚至导致某些轴向的实际输出力矩会出现极性相反，进而导致卫星的姿态控制精度低。

技术实现思路

1、本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

3、一种使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据卫星当前的姿态偏差情况，选择进行角速度阻尼或者进行磁控输出力矩优化控制；

5、步骤2：计算当前姿态下的最优磁控力矩；

6、步骤3：根据当前磁场矢量计算得到磁力矩器的输出磁矩。

7、在上述技术方案中，步骤1具体包括：

8、确定卫星偏差四元数与偏差角速度，判断偏差角速度是否超过阈值：

9、如果超过，则进行角速度阻尼优化控制，否则，进行磁控输出力矩优化控制。

10、在上述技术方案中，步骤2具体包括：

11、如果偏差角速度超过阈值，则进行角速度阻尼优化控制，将角速度降低到一定范围；然后，计算姿控的期望磁控力矩，进行磁控输出力矩优化控制。

12、如果偏差角速度没有超过阈值，则计算姿控的期望磁控力矩，进行磁控输出力矩优化控制。

13、在上述技术方案中，步骤2中的计算姿控的期望磁控力矩，具体为：

14、根据卫星各轴的角速度，计算期望控制力矩t：

15、

16、

17、

18、其中，ωmax＝max(|ωx|,|ωy|,|ωz|)，ωx、ωy、ωz分别为卫星x、y、z轴的角速度，tmax为磁力矩器在当前轨道下能够输出的最大磁控力矩，tx、ty、tz分别为实际输出力矩在x、y、z轴上的分量。

19、在上述技术方案中，

20、步骤2中的磁控输出力矩优化控制，具体为：

21、根据卫星的当前姿态偏差，利用控制率计算得到当前的期望力矩为te，首先保证期望力矩在xy面内的投影te_xy保持不变，对卫星z轴的控制力矩tz进行调整，以保证卫星的期望输出力矩t能够垂直地球磁场矢量；

22、假设：

23、bxtx+byty+bztz＝0

24、其中，tx、ty、tz分别为实际输出力矩在x、y、z轴上的分量，bx、by、bz地磁场在本体坐标系的矢量在x、y、z轴上的分量；

25、进而可知：

26、

27、同时若矢量b与本体坐标系的平面xy面比较接近，则会导致实际输出力矩在z轴上的分量tz过大，因此分别对x、y、z轴的输出力矩进行等比限幅：

28、

29、

30、

31、其中，tmax为磁力矩器在当前轨道下能够输出的最大磁控力矩，tx_out、ty_out、tz_out分别为x、y、z轴的输出力矩。

32、本发明具有以下有益效果：

33、本发明的使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，针对卫星使用磁控进行单轴惯性空间定向姿态控制问题，根据卫星当前的期望控制力矩，结合当前的磁场矢量方向，能够计算得到当前最优的磁控输出力矩矢量。

34、本发明的方法保证了卫星的在通过磁力矩器进行姿态控制时，两个控制轴的实际输出力矩与期望控制力矩相同，从而能够实现较高精度的姿态控制。同时，针对非控制轴设计了角速度阻尼策略，保证了该轴不会出现角速度过大的情况。

35、本发明的使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，以z轴为非控制轴进行举例描述，实际上可以取星体的任意矢量作为非控制轴，仍能够实现本发明的效果。

技术特征：

1.一种使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，其特征在于，步骤1具体包括：

3.根据权利要求2所述的使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，其特征在于，步骤2具体包括：

4.根据权利要求3所述的使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，其特征在于，步骤2中的计算姿控的期望磁控力矩，具体为：

5.根据权利要求3所述的使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，其特征在于，步骤2中的磁控输出力矩优化控制，具体为：

技术总结本发明涉及一种使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，包括以下步骤：根据卫星当前的姿态偏差情况，进行优化控制；计算当前姿态下的最优磁控力矩；计算得到磁力矩器的输出磁矩。本发明的使用磁控的单轴惯性空间定向姿态控制方法，针对卫星使用磁控进行单轴惯性空间定向姿态控制问题，根据卫星当前的期望控制力矩，结合当前的磁场矢量方向，能够计算得到当前最优的磁控输出力矩矢量。本发明的方法保证了卫星的在通过磁力矩器进行姿态控制时，两个控制轴的实际输出力矩与期望控制力矩相同，从而能够实现较高精度的姿态控制。同时，针对非控制轴设计了角速度阻尼策略，保证了该轴不会出现角速度过大的情况。技术研发人员：胡建龙,范林东,戴路,曲友阳,兰野受保护的技术使用者：长光卫星技术股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/26