大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法与流程

1.本发明涉及卫星姿态控制技术领域，尤其涉及一种大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法。


背景技术：

2.大椭圆轨道卫星偏心率远大于0.1，在远地点处角运动较慢，其可以有较长驻留时间，便于对地面目标观测。目前科学家发明的闪电轨道即为该种类型的轨道，用于高纬度地区的长期观测，并可用于通讯、气象等用途。该种轨道在卫星寿命期内，由于卫星轨道与太阳之间关系复杂，若采用常规对地卫星姿态，会导致星上敏感器布局、散热面等均很难实施。因此，需要采取新的措施应对大椭圆轨道上的卫星姿态控制。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，以便于能够根据大椭圆轨道不同高度段卫星任务特点、光照条件和卫星角动量情况规划卫星姿态。
4.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，包括：
6.确定卫星轨道运行任务，并根据不同的所述卫星轨道运行任务对卫星运行轨道进行分段，得到不同任务的卫星轨道段；
7.构建各个任务的卫星轨道段对应的参考坐标系，并构建卫星本体姿态坐标系；
8.通过所述卫星本体姿态坐标系对各个任务的卫星轨道段对应的所述参考坐标系进行跟踪，以进行卫星姿态控制。
9.可选的，构建所述卫星轨道段对应的参考坐标系的步骤包括：
10.在所述卫星轨道段下，确定卫星姿态指向的目标；
11.分别确定卫星和目标的位置矢量，并根据卫星位置矢量和目标位置矢量确定参考坐标系z轴矢量；
12.确定卫星指向太阳的太阳矢量，并根据所述参考坐标系z轴矢量和所述太阳矢量确定参考坐标系y轴矢量；
13.根据所述参考坐标系z轴矢量和所述参考坐标系y轴矢量确定所述卫星轨道段对应的参考坐标系。
14.可选的，所述卫星轨道段包括高轨任务段、中轨任务段和低轨任务段。
15.可选的，构建卫星本体姿态坐标系的步骤包括：
16.确定卫星载荷指向为卫星本体姿态坐标系zb轴矢量，并确定与所述卫星载荷指向垂直的固定阳照面中的方向矢量为卫星本体姿态坐标系xb轴矢量；
17.根据所述卫星本体姿态坐标系zb轴矢量和所述卫星本体姿态坐标系xb轴矢量确定所述卫星本体姿态坐标系。
18.可选的，所述方法还包括：
19.确定卫星运行规避区，并在卫星运行至所述卫星运行规避区时，控制所述卫星进入规避模式。
20.可选的，确定所述太阳矢量和卫星指向目标的矢量之间的夹角小于第一预设值或者大于第二预设值时所对应的卫星高度区间为所述卫星运行规避区。
21.可选的，在规避模式下，采用虚拟目标规避法，或者将轨道坐标系作为所述参考坐标系的方法控制卫星姿态。
22.可选的，所述虚拟目标规避法具体包括：
23.构建一虚拟目标点，以使所述太阳矢量与卫星指向所述虚拟目标点的矢量之间的夹角位于所述第一预设值和所述第二预设值之间，并重新通过构建所述参考坐标系z轴矢量和所述参考坐标系y轴矢量的方式构建所述参考坐标系，以及以重新构建的所述参考坐标系为控制目标控制卫星姿态，以便调整所述卫星本体姿态坐标系指向。
24.可选的，所述轨道坐标系构建的步骤包括：
25.以指向地心方向的方向矢量作为轨道坐标系z轴矢量，并以指向轨道面负法线方向的方向矢量作为轨道坐标系y轴矢量；
26.根据所述轨道坐标系z轴矢量和所述轨道坐标系y轴矢量构建所述轨道坐标系。
27.可选的，所述方法还包括：当卫星运行至所述低轨任务段时，采用地磁场对卫星角动量进行卸载管理。
28.本发明至少具有以下技术效果：
29.本发明通过构建的卫星本体姿态坐标系对各个卫星轨道段对应的参考坐标系进行跟踪所实现的卫星姿态控制方法能够满足卫星在不同轨道高度段的任务需求，并能够使得卫星具备固定散热面，且有利于星敏感器布局，并且该方法仅通过一维太阳电池阵驱动即可保证卫星能源的供应，以及该方法能够实现对卫星角动量的管理。另外，本发明通过虚拟目标规避法和将轨道坐标系作为参考坐标系的方法能够实现卫星进入规避区的控制。
30.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
31.图1为本发明一实施例提供的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法的流程图；
32.图2为本发明一实施例提供的不同轨道高度段的轨道分段图。
具体实施方式
33.下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.下面参考附图描述本实施例的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法。
35.图1为本发明一实施例提供的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括：
36.步骤s1：确定卫星轨道运行任务，并根据不同的卫星轨道运行任务对卫星运行轨道进行分段，得到不同任务的卫星轨道段。
37.具体的，卫星轨道运行任务可包括高轨运行任务、中轨运行任务和低轨运行任务。本实施例中，可根据该些轨道运行任务对卫星运行轨道进行分段，得到不同任务的卫星轨道段，如图2所示，例如包括高轨任务段、中轨任务段和低轨任务段。
38.步骤s2：构建各个卫星轨道段对应的参考坐标系，并构建卫星本体姿态坐标系。
39.其中，构建卫星轨道段对应的参考坐标系的步骤包括：在卫星轨道段下，确定卫星姿态指向的目标；分别确定卫星和目标的位置矢量，并根据卫星位置矢量和目标位置矢量确定参考坐标系z轴矢量；确定卫星指向太阳的太阳矢量，并根据参考坐标系z轴矢量和太阳矢量确定参考坐标系y轴矢量；根据参考坐标系z轴矢量和参考坐标系y轴矢量确定卫星轨道段对应的参考坐标系。
40.具体的，在根据任务需求将轨道分段后，可确定每一段姿态卫星指向的目标点。然后，将卫星指向目标点的矢量作为参考坐标系z轴矢量，并以太阳矢量vect作为另一个跟踪矢量，由z轴矢量与太阳矢量vect的叉乘后的单位矢量作为参考y轴，由于x轴与y、z轴垂直，所以据此可构建参考坐标系。
41.作为一个示例，可定义目标点的位置矢量为r_target，并定义卫星当前的位置矢量为r_now，以及卫星指向太阳的单位矢量即太阳矢量为vect。进一步的，可得到参考坐标系z轴矢量为：
[0042][0043]
参考坐标系y轴矢量为：
[0044][0045]
由于x＝y
×
z，所以据此可得到所述参考坐标系，由此可计算得到双矢量参考姿态基准姿态转换矩阵a_out：
[0046]
a_out＝[x y z]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
在本发明的一个实施例中，构建卫星本体姿态坐标系的步骤包括：确定卫星载荷指向为卫星本体姿态坐标系zb轴矢量，并确定与卫星载荷指向垂直的固定阳照面中的方向矢量为卫星本体姿态坐标系xb轴矢量；根据卫星本体姿态坐标系zb轴矢量和卫星本体姿态坐标系xb轴矢量确定卫星本体姿态坐标系。
[0048]
具体的，可以卫星选择载荷指向方位为卫星本体姿态坐标系zb轴，将与载荷指向垂直的一个固定阳照面定义为+xb面，并将所述固定阳照面中的一方向定义为卫星本体姿态坐标系xb轴，由于yb轴与zb、xb轴垂直，所以据此可构建得到卫星本体系即卫星本体姿态坐标系。
[0049]
步骤s3：通过卫星本体姿态坐标系对各个卫星轨道段对应的参考坐标系进行跟踪，以进行卫星运行控制。
[0050]
在本发明的一个实施例中，该方法还包括：确定卫星运行规避区，并在卫星运行至卫星运行规避区时，控制卫星进入规避模式。
[0051]
其中，可确定太阳矢量和卫星指向目标的矢量之间的夹角小于第一预设值或者大于第二预设值时所对应的卫星高度区间为卫星运行规避区。
[0052]
具体的，可确定太阳矢量与卫星指向目标的矢量之间的夹角小于第一预设值(如20
°
)或大于第二预设值(如160
°
)的卫星高度区间为卫星运行规避区。例如，在卫星进入到目标矢量z即卫星指向目标的矢量和太阳矢量vect之间满足条件|z
×
vect|≤sin(20
°
)|z
×
vect|≤sin(20
°
)时，可确定在相应的时间点，卫星进入到卫星运行规避区。并且，在该区间卫星可自主控制进入规避模式。
[0053]
本实施例中，在规避模式下，可采用虚拟目标规避法，或者将轨道坐标系作为参考坐标系的方法控制卫星姿态。
[0054]
其中，虚拟目标规避法具体包括：构建一虚拟目标点，以使太阳矢量与卫星指向虚拟目标点的矢量之间的夹角位于第一预设值和第二预设值之间，并重新通过构建参考坐标系z轴矢量和参考坐标系y轴矢量的方式构建参考坐标系，以及以重新构建的所述参考坐标系为控制目标控制卫星姿态，以便调整卫星本体姿态坐标系指向。
[0055]
具体的，可构造一个虚拟目标点，使得卫星指向该虚拟目标点的矢量与太阳矢量之间的夹角例如在20
°
～160
°
之间，然后使用上述参考坐标系构建方法重新构建规避区的参考坐标系，并以重新构建的所述参考坐标系为控制目标，控制卫星姿态从而调整所述卫星本体姿态坐标系指向。
[0056]
在本发明的一个实施例中，轨道坐标系构建的步骤包括：以指向地心方向的方向矢量作为轨道坐标系z轴矢量，并以指向轨道面负法线方向的方向矢量作为轨道坐标系y轴矢量；根据轨道坐标系z轴矢量和轨道坐标系y轴矢量构建轨道坐标系。
[0057]
例如，可规定zo轴指向地心，yo轴指向轨道面负法向，xo轴与yo、zo轴垂直，由此可建立轨道坐标系，并将其作为参考坐标系。
[0058]
在本发明的一个实施例中，该方法还包括：当卫星运行至低轨任务段时，采用地磁场对卫星角动量进行卸载管理。
[0059]
具体的，可选取卫星轨道高度12000km作为低轨运行判定阈值，当卫星运行高度低于12000km时，判定卫星运行高度较低。在卫星轨道高度较低时，可使用地磁场对卫星角动量进行卸载，以实现卫星角动量管理。
[0060]
综上所述，本发明通过构建的卫星本体姿态坐标系对各个卫星轨道段对应的参考坐标系进行跟踪所实现的卫星姿态控制方法能够满足卫星在不同轨道高度段的任务需求，并能够使得卫星具备固定散热面，且有利于星敏感器布局，并且该方法仅通过一维太阳电池阵驱动即可保证卫星能源的供应，以及该方法能够实现对卫星角动量的管理。另外，本发明通过虚拟目标规避法和将轨道坐标系作为参考坐标系的方法能够实现卫星进入规避区的控制。
[0061]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在
包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0062]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，包括：确定卫星轨道运行任务，并根据不同的所述卫星轨道运行任务对卫星运行轨道进行分段，得到不同任务的卫星轨道段；构建各个任务的卫星轨道段对应的参考坐标系，并构建卫星本体姿态坐标系；通过所述卫星本体姿态坐标系对各个任务的卫星轨道段对应的所述参考坐标系进行跟踪，以进行卫星姿态控制。2.如权利要求1所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，构建所述卫星轨道段对应的参考坐标系的步骤包括：在所述卫星轨道段下，确定卫星姿态指向的目标；分别确定卫星和目标的位置矢量，并根据卫星位置矢量和目标位置矢量确定参考坐标系z轴矢量；确定卫星指向太阳的太阳矢量，并根据所述参考坐标系z轴矢量和所述太阳矢量确定参考坐标系y轴矢量；根据所述参考坐标系z轴矢量和所述参考坐标系y轴矢量确定所述卫星轨道段对应的参考坐标系。3.如权利要求1所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，所述卫星轨道段包括高轨任务段、中轨任务段和低轨任务段。4.如权利要求1所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，构建卫星本体姿态坐标系的步骤包括：确定卫星载荷指向为卫星本体姿态坐标系zb轴矢量，并确定与所述卫星载荷指向垂直的固定阳照面中的方向矢量为卫星本体姿态坐标系xb轴矢量；根据所述卫星本体姿态坐标系zb轴矢量和所述卫星本体姿态坐标系xb轴矢量确定所述卫星本体姿态坐标系。5.如权利要求2所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，所述方法还包括：确定卫星运行规避区，并在卫星运行至所述卫星运行规避区时，控制所述卫星进入规避模式。6.如权利要求5所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，确定所述太阳矢量和卫星指向目标的矢量之间的夹角小于第一预设值或者大于第二预设值时所对应的卫星高度区间为所述卫星运行规避区。7.如权利要求6所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，在规避模式下，采用虚拟目标规避法，或者将轨道坐标系作为所述参考坐标系的方法控制卫星姿态。8.如权利要求7所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，所述虚拟目标规避法具体包括：构建一虚拟目标点，以使所述太阳矢量与卫星指向所述虚拟目标点的矢量之间的夹角位于所述第一预设值和所述第二预设值之间，并重新通过构建所述参考坐标系z轴矢量和所述参考坐标系y轴矢量的方式构建所述参考坐标系，以及以重新构建的所述参考坐标系为控制目标控制卫星姿态，以便调整所述卫星本体姿态坐标系指向。
9.如权利要求7所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，所述轨道坐标系构建的步骤包括：以指向地心方向的方向矢量作为轨道坐标系z轴矢量，并以指向轨道面负法线方向的方向矢量作为轨道坐标系y轴矢量；根据所述轨道坐标系z轴矢量和所述轨道坐标系y轴矢量构建所述轨道坐标系。10.如权利要求3所述的大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，其特征在于，所述方法还包括：当卫星运行至所述低轨任务段时，采用地磁场对卫星角动量进行卸载管理。

技术总结
本发明公开了一种大椭圆轨道卫星可变双矢量姿态控制方法，该方法包括：确定卫星轨道运行任务，并根据不同的卫星轨道运行任务对卫星运行轨道进行分段，得到不同任务的卫星轨道段；构建各个任务卫星轨道段对应的参考坐标系，并构建卫星本体姿态坐标系；通过卫星本体姿态坐标系对各个任务卫星轨道段对应的参考坐标系进行跟踪，以进行卫星姿态控制。本发明能够根据大椭圆轨道不同高度段卫星任务特点、光照条件和卫星角动量情况规划卫星姿态。光照条件和卫星角动量情况规划卫星姿态。光照条件和卫星角动量情况规划卫星姿态。


技术研发人员：何益康 李德婷 马雪阳 周泽亚 潘晓东 林书宇 谢侃 周连文
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：2022.10.20
技术公布日：2023/4/5