小卫星姿态确定系统及方法

摘要

本发明揭示一种小卫星姿态确定系统及方法，该系统包括：若干姿态测量部件、处理器；处理器用以采集上述姿态测量部件的测量数据，计算环境模型，并根据测量数据和环境模型选择相应的定姿算法进行姿态确定；其包括地平仪数据采样及处理单元、太阳敏感器数据采样及处理单元、磁强计数据采样及处理单元、环境模型计算单元、定姿选择单元。定姿选择单元根据所述地平仪数据采样及处理单元、太阳敏感器数据采样及处理单元、磁强计数据采样及处理单元、及环境模型计算单元的数据，选择相应的定姿算法进行姿态确定。本发明成本低，结构简单；同时定姿算法多样，设计了四种确定性定姿算法和四种Kalman滤波算法，各算法之间能进行有效融合，星上自主切换，提高了系统的可靠性。

主权项

1.一种小卫星姿态确定系统，其特征在于，其包括：若干姿态测量部件，用以对反映卫星姿态的信息进行测量；姿态测量部件包括红外地平仪、太阳敏感器、磁强计；中央处理器，用以采集上述姿态测量部件的测量数据，并计算环境模型，然后根据测量数据及环境模型选择相应的定姿算法进行姿态确定；其包括地平仪数据采样及处理单无，用以根据所述红外地平仪测量的数据判断红外地平仪的状态并获取处理后的红外平仪测量数据；太阳敏感器数据采样及处理单元，用以根据所述太阳敏感器测量的数据判断太阳敏感器的状态并获取卫星本体坐标系中的太阳矢量；磁强计数据采样及处理单元，用以根据所述磁强计测量的数据判断磁强计的状态并获取卫星本体坐标系中的地磁矢量；环境模型计算单元，用以获取轨道坐标系下的太阳矢量、地磁矢量；定姿选择单元，用以根据所述地平仪数据采样及处理单元、太阳敏感器数据采样及处理单元、磁强计数据采样及处理单元、环境模型计算单元，选择相应的定姿算法进行姿态确定；当卫星不在稳态工作模式时，定姿选择单元控制所述姿态确定系统选择非稳态定姿算法，通过获取的测量数据选择定偏航角地平仪定姿算法、不定偏航角地平仪定姿算法、双矢量定姿算法、单磁强计定姿算法中的一种；所述定姿选择单元控制姿态确定系统选择非稳态定姿算法包括：当地平仪有效、数据正常，且卫星位于阳照区、太阳敏感器正常时，选择定偏航角地平仪定姿算法；当地平仪有效、数据正常，且卫星位于阴影区或太阳敏感器故障时，选择不定偏航角地平仪定姿算法；当地平仪失效或故障，且卫星位于阳照区、太阳敏感器正常时，选择双矢量定姿算法；当地平仪失效或故障，且卫星位于阴影区或太阳敏感器故障时，选择单磁强计定姿算法；定偏航角/不定偏航角地平仪定姿算法包括如下步骤：红外地平仪数据直接解算出卫星的滚动角和俯仰角；根据太阳敏感器工作状态，地平仪定姿算法分为两种情形；若太阳敏感器数据有效，利用红外地平仪确定的滚动角和俯仰角θ，根据姿态矩阵反推卫星的偏航角ψ：ψ＝arctan2[(k1·S_oy-k2·S_ox)，(k1·S_ox+k2·S_oy)]；其中，k1＝cos(θ)·S_bx+sin(θ)·S_bz；S_b＝(S_bx，S_by，S_bz)^T，S_o＝(S_ox，S_oy，S_oz)^T分别为卫星本体坐标系和轨道坐标系中的太阳矢量；若太阳敏感器数据无效，取ψ＝0；双矢量定姿算法包括如下步骤：利用卫星本体坐标系中的地磁矢量B_b和太阳矢量S_b，对照轨道坐标系中的地磁矢量B_o和太阳矢量S_o，采用简化后的QUEST双矢量定姿算法，确定卫星的三轴姿态；单磁强计定姿算法包括如下步骤：当仅三轴磁强计数据有效时，利用卫星本体坐标系中的地磁矢量B_b，对照轨道坐标系中的地磁矢量B_o，近似计算卫星的俯仰角θ：θ＝arctan2[(B_oxB_bz-B_ozB_bx)，(B_ozB_bz+B_oxB_bx)]；当卫星进入稳态工作模式时，定姿选择单元控制所述姿态确定系统选择稳态EKF定姿算法，通过获取的测量数据选择红外地平仪/太阳Kalman滤波算法、红外地平仪/磁Kalman滤波算法、太阳/磁Kalman滤波算法、单磁Kalman滤波算法中的一种。