《航天器姿态测量与确定》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航天器姿态测量与确定（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、航天器姿态测量与确定 金磊 宇航学院制导、导航与控制系 Office: 新主楼 B1024 Tel: 82339750 13581761126 E-mail: attitude_(buaa2013) 2013/9/24 第二章 自旋卫星姿态测量与确定 自旋卫星的姿态 卫星自旋轴在空间中的方向和自旋体相对空间某个基准的旋轴相位角（直观）。 自旋轴方向定义： 赤道惯性坐标系中的 赤经、赤纬 第二章 自旋卫星姿态测量与确定 自旋轴 赤道惯性坐标系 直接确定方向信息很困难 参考天体 方向已知 与角距相关的 姿态信息由姿 态敏感器测量 间接确定方向信息 卫星自旋轴方向的测定包含着对 姿态信息的 测量
2、和 姿态确定 两部分 不考虑章动 确定卫星自旋轴方向的最基本方法 双锥相交法 常用参考体是太阳 和地球 分别利用太阳敏感器 和地球敏感器测量自 旋轴与太阳方向以及 地球方向的夹角信息 天体锥 天体锥 1C2C真自旋轴 假自旋轴 O 卫星质心 122013/9/24 5 太阳敏感器 模拟式太阳敏感器：余弦式、差动式、狭缝式和“ 0-1”式 数字式太阳敏感器：码盘式、阵列式 工作原理 通过对太阳辐射的敏感来测量太阳 视线与航天器某一体轴之间的夹角 特点 视太阳为强点光源，结构简单，功率要 求小，视场很大 类型 2013/9/24 6 狭缝式太阳敏感器 自旋卫星常采用 V型狭缝式测量 自旋方向与太阳
3、方向 S之间夹角 由两个配置成 V字形结构的狭缝 敏感器组成 敏感器 I的平面视场与自旋轴平行， 敏感器 II视场倾斜 卫星自旋一周，两个敏感器的平面 视场各扫过太阳一次，各自的敏感 元件分别输出一个电脉冲， 敏感器两次扫过太阳的时间以及两者之间的时间间隔包含着姿态信息 从上两式可得 太阳方向的确定 卫星转速 11212tt 太阳连续穿越两个狭缝时间内的卫星转角 1112,tt 分别为敏感器 1在第一圈和下一 圈见到太阳的时刻 2111t t t 在直角球面三角形 SCB中 ta n s in ta n2 s B t a nc o t s i n s i ns 在直角球面三角形 DEB中 t
4、a n s i n t a n B 太阳方向的确定 通常使两条狭缝相交于卫星赤道上，当 太阳光线与自旋轴垂直时，敏感器输出 ，不利于提高测量精度，为此 将两条狭缝隔开一个圆周角 0t在直角球面三角形 CFE中 Is t a ns i n2t a n s i nt a nc o t Is太阳方向的姿态观测方程为 c o ssSZ c o t c o t s i ns 2013/9/24 9 地球敏感器 地球圆盘：从航天器上看到的地球； 地平：地球圆盘的边缘，近似认为是圆形； 利用地球自身的红外辐射来测量航天器相对于 当地垂线 或者当地地平方位的姿态敏感器 工作波段一般选择在 14 16 的二氧化
5、碳红外窄波段， 地平圈稳定，有利于提高测量精度 m2013/9/24 10 地球敏感器 地平扫描敏感方案 -利用扫描机构对地球进行扫描，以确定地球圆盘边缘上若干点进而确定地球圆盘中心 自旋扫描地球敏感器 、圆锥扫描地球敏感器、摆动扫描地球敏感器 地平热辐射平衡敏感方案 -测量覆盖地球圆盘边缘若干小块区域的辐射通量，进而确定地球圆盘中心 2013/9/24 11 天底方向的测量 自旋扫描地球敏感器工作原理 卫星自旋一周，红外敏感器光轴在空间扫描出一个圆锥。当扫描锥与地球相交时，敏感器的光轴将穿越地球。由于地球辐射与空间宇宙辐射的不连续性，敏感器产生两个地平穿越脉冲，即穿入脉冲和穿出脉冲。 201
6、3/9/24 12 天底方向的测量 单个地敏 地球敏感器穿越地球的弦宽 t地球的视角为 rR ea r c s inZ E O iE oEe2扫描线 自旋轴 卫星 质心 t 光轴穿入和穿出地球的时间间隔 e地球中心方向用 天底矢量 表示 E rE rr 地心到卫星质心的距离矢量 卫星自旋轴与 地球中心方向 之间的夹角称为 天底角 2013/9/24 13 天底方向的测量 单个地敏 iZEE oZEE在球面三角形 或 有余弦公式 2c o ss i ns i nc o sc o sc o see 根据上式求出的天底角是双重 真伪解，还需要利用先验姿态估计值或其它附加信息解决 真伪判别问题。 22
7、c o s c o s c o s s i n c o s s i n c o s22e 12 2 2 2 22c o s c o s c o s s i n c o s 2 Z E O iE oEe2扫描线 自旋轴 卫星 质心 2013/9/24 14 天底方向的测量 两个地敏 N 90 S 90N S2c o ss i ns i nc o sc o sc o sNeNeN 2c o ss i ns i nc o sc o sc o sSeSeS 利用两只地球敏感器测得的姿态信息计算天底角 。 两只地球敏感器的安装角分别为 前者称为北敏感器，即敏感器光轴在卫星赤道面之北，后者称为南敏感器，即
8、敏感器光轴在卫星赤道面之南。两只敏感器测得的弦宽各为 ，由此得到两个相同的测量方程 2013/9/24 15 天底方向的测量 两个地敏 2c o ss i n2c o ss i nc o sc o st a nSSNNNSe 由此可直接求得天底角 c o s eEZ天底方向的姿态观测方程 采用两只地敏能同时观测地球的弧段很短，这种确定天底角的方法适用范围很有限。 2013/9/24 太阳 -地心转角 soi ttt21在球面三角形 ZSE 中 有余弦公式 另外 c o ss i ns i nc o sc o sc o s esesse 2c o ss i ns i nc o sc o sc o
9、 see (1) (2) 太敏狭缝与地敏光轴 位于同一卫星子午面上 S Z E O siE oEsee2自旋轴 卫星 质心 太阳 扫描线 天底方向的测量 太敏 +地敏 2013/9/24 17 S Z E O siE oEsee2则由一只地球敏感器和一只太阳敏感器就可以确定出天底角 c o ss i nc o s2c o ss i nc o sc o sc o sc o sc o st a nssesese求解的充要条件是 (1)和 (2)式的系数行列式不等于零 02c o sc o ss i nc o ss i nc o s ss天底方向的测量 太敏 +地敏 2013/9/24 18 自旋轴
10、方向的几何确定 已知自旋轴矢量与太阳、地球矢量的夹角 自旋轴矢量的确定 双矢量定姿算法（数学模式） 双锥相交法 (几何） 天体锥 天体锥 1C2C真自旋轴 假自旋轴 o 太阳 地球 2013/9/24 双矢量姿态确定算法 定义卫星自旋轴方向的单位矢量为 ，已知两个参考天体的单位矢量 、 （ ），并已测得卫星自旋轴与两参考天体方向的夹角为 姿态确定方程为 1C 2C 21 CC Z11 c o s ZC22 c o s ZC1ZZZ 121 2 1 23a a a Z C C C C则自旋轴 在 、 组成的非正交坐标系中的表达式是 1C 2C1 2单位矢量模值约束方程 观测方程 观测方程 在赤道
11、惯性系中的方向确定，坐标分量完全确定自旋轴的方向 1C 2C2013/9/24 20 双矢量姿态确定算法 1C 2C 1211221 c o sc o s aa22121 c o sc o s aa1s i nc o s2 1222312212221 aaaaa令矢量 、 之间的夹角为 ，则将上式代入姿态确定方程中得到 2013/9/24 21 双矢量姿态确定算法 12211221 c o sc o sc o ss i n1 a 12121222 c o sc o sc o ss i n1 a 122122121221212212221123c o sc o sc o s2c o sc o s
12、s i ns i n1c o s21s i n1aaaaa由 ， 可以解得 真伪解，对称处在 C1，C2组成的平面两侧 影响姿态确定精度 21 CC 12sin 0 2013/9/24 22 双矢量姿态确定算法 21123 s i n1 CCC 1C2C3C如果能求出自旋轴与第三个天体 之间的夹角 ，则围绕 可以画出第三个假想的天体锥，卫星自旋轴必在三个天体锥的唯一的共同交线上。 3C 3如何解决真伪解的问题？ 3C2013/9/24 23 双矢量姿态确定算法 212212321Z3C2C1C32CZC c o ss inc o s 2331 CC 32 CC 321 CCC2 21CZC11
13、12 s i nc o ss i ns i ns i ns i n s i ns i ns i ns i n 1c o s 21123 因为 所以球面三角形 是直角球面三角形 在球面三角形 中的正弦公式 可以求得 在球面三角形 中 已知 测量 2013/9/24 24 双矢量姿态确定算法 1 2 11 c o s ZC22 c o s ZC33 c o s ZC1ZZ根据三个测量值 姿态确定方程 2013/9/24 25 双矢量姿态确定算法 1C 2C 3C Z31232211 s i n CCCZ aaa 11221 c o sc o s aa22121 c o sc o s aa3123 c o ss in a1s i nc o s2 1222312212221
