一种太阳敏感器故障情况下的对日定向姿态控制方法

摘要

一种太阳敏感器故障情况下的对日定向姿态控制方法，利用单轴姿态测量实现双轴的太阳定向稳定控制。当其中一个太阳敏感器发生故障失效时，可利用另外一个健康的太阳敏感器测量信息，结合陀螺角速度测量，利用观测方程重构故障轴上的姿态，从而实现对日定向时的稳定姿态控制。本发明方法具有在太阳敏感器单轴测量故障情况下依然能够实现对日定向的能力，在实现上不需要在卫星上额外增加新的姿态测量设备，只需要在星上控制计算机内通过软件实现本方法即可实现故障情况下的双轴姿态控制，具有实现经济简单的特点，可用作卫星对日定向的一种备份方式。

主权项

1.一种太阳敏感器故障情况下的对日定向姿态控制方法，其特征在于包括如下步骤：（1）在航天器的-Z面上布局两个太阳敏感器，其中一个太阳敏感器的测量轴与卫星本体的X轴平行，测量角为φ，另一个太阳敏感器的测量轴与卫星本体的Y轴平行，测量角为θ；（2）周期性的采集两个太阳敏感器的数据，计算m_x,n=tan(φ_n)，m_y,n=tan(θ_n)，其中φ_n,θ_n分别为本周期X轴和Y轴的太阳敏感器测量值，m_x,n,m_y,n分别为本周期X轴和Y轴的太阳敏感器测量角度的正切值；（3）建立观测方程，并利用陀螺本周期的测量值，利用观测方程预报下一周期X轴和Y轴的太阳敏感器测量角度的正切估计值，${\tilde{m}}_{x,n+1}={\tilde{m}}_{x,n}+({\omega }_x-{\omega }_z{\tilde{m}}_{y,n}+{\omega }_y{\tilde{m}}_{x,n}{\tilde{m}}_{y,n}+{\omega }_x{\tilde{m}}_{x,n}^2)·\mathrm{\Delta t}$${\tilde{m}}_{y,n+1}={\tilde{m}}_{y,n}+({\omega }_y-{\omega }_z{\tilde{m}}_{x,n}+{\omega }_x{\tilde{m}}_{x,n}{\tilde{m}}_{y,n}+{\omega }_y{\tilde{m}}_{y,n}^2)·\mathrm{\Delta t}$其中分别为本周期X轴和Y轴的太阳敏感器测量角度的正切估计值，初值为0，为下一周期X轴和Y轴的太阳敏感器测量角度的正切估计值，Δt为控制周期，ω_x、ω_y、ω_z为本周期陀螺测量的卫星本体三轴角速度；（4）判断太阳敏感器的健康状态，利用健康太阳敏感器的测量值对步骤（3）计算得到的进行修正，当X轴太阳敏感器健康，Y轴太阳敏感器故障时，对X轴太阳敏感器测量角度的正切估计值进行修正，修正方程为$K_x<0,{\omega }_z{K}_y+{\omega }_z^2>0,$当X轴太阳敏感器故障，Y轴太阳敏感器健康时，对Y轴太阳敏感器测量角度的正切估计值进行修正，修正方程为$K_y<0,{\omega }_z{K}_x-{\omega }_z^2<0,$其中K_x,K_y为修正系数；（5）更新本周期X轴和Y轴的太阳敏感器测量角度的正切估计值，由此计算本周期X轴和Y轴的太阳敏感器测量估计值其中为X轴太阳敏感器测量估计值，为Y轴太阳敏感器测量估计值；（6）依据太阳敏感器健康状态和故障太阳敏感器所在轴的测量估计值重构姿态，作为控制的输入量；当X轴的太阳敏感器健康而Y轴的太阳敏感器故障时，令当X轴的太阳敏感器故障而Y轴的太阳敏感器健康时，令当两轴的太阳敏感器均健康时，令当两轴的太阳敏感器均故障时，令φ=0,θ=0；（7）利用步骤（6）得到的计算结果φ和θ，计算对日定向所需的姿态控制量，控制律为：U_y=K_pyθ+K_dyω_y，U_z=K_dz(ω_z-ω_zb)，式中U_m,m=x,y,z为卫星的三轴控制量，K_dm为角速度控制系数，ω_m为卫星陀螺实测三轴角速度，ω_zb为卫星Z轴目标角速度，K_px,K_py分别为滚动角和俯仰角控制系数。