【CN109533396A】一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法【专利】
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( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910040796 .6
(22)申请日 2019 .01 .16
(71)申请人 上海微小卫星工程中心 地址 201203 上海市浦东新区海科路99号4 号楼
(72)发明人 夏喜旺 郭崇滨 陈宏宇 张科科 周世龙
技术领域 [0001] 本发明涉及航天器姿态控制的技术领域。具体而言，本发明涉及一种基于磁测磁 控的卫星自旋定向方法。
背景技术 [0002] 卫星的姿态控制是指对卫星绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在空间定向 的 技术。卫星的 姿态控制系统在卫星的实际 运行 和控制过程中扮演了十分重要的 角色 ，能 够确保卫星飞行过程中姿态的确定和调整，从而顺利完成既定的飞行任务。 [0003] 不同类型的卫星对姿态控制有不同的要求，卫星的姿态控制包括被动姿态控制和 主动姿态控制。姿态敏感器用于测量卫星本体坐标系统相对于某一基准坐标系的相对位置 和角速度，以确定卫星的姿态。卫星系统还包括控制器，控制器根据卫星的姿态和给定的要 求指示执行机构工作。执行机构则根据控制器指令产生相应的控制力矩从而改变卫星的姿 态。 [0004] 利用地磁场来控制卫星的姿态是一种既简单又可靠的方法。因此磁控系统是当前 卫星控制系统中常 用的控制系统。考虑到磁控作用总是垂直于当地磁力线的 ，纯磁控卫星 的姿态稳定系统实际上是欠驱动的控制系统。自旋稳定对于姿态控制欠驱动的卫星而言至 关重要，其关系到卫星的任务实施、能源获取甚至生命安全；对于运行于晨昏轨道上的卫星 而言 ，结合太阳帆板的 布局 ，自 旋稳定可以 实现卫星的帆板对日。B-dot速率阻 尼算法是一 种可靠的非线性姿态控制算法，其通过降低卫星转动动能来实现三轴角速度的降低。
CN 109533396 A
CN 109533396 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，包括： 根据地磁矢量确定地磁矢量变化率； 根据轨道角速度矢量和地磁矢量，确定修正项； 根据地磁矢量变化率及修正项，确定修正后的磁力矩器的计算磁矩；以及 对所述计算磁矩进行限幅，得到磁力矩器的输出磁矩。 2 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述地磁矢量 变化率为：
其中， 表示当前拍的地磁场矢量变化率，Bb表示当前拍的地磁场强度，Bb-表示前一拍 的地磁场强度，Δt表示姿态控制周期。
3 .如权利要求2所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，当前拍的地磁 场强度和前一拍的地磁场强度通过磁强计进行测量来获取。
4 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述修正项 为：
发明内容 [0005] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明仅采用磁强计和磁力矩器实现星体自旋 保证空间定向的姿态控制。 [0006] 根据本发明的一个方面，提供一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，包括：根据 地磁矢量确定地磁矢量变化率；根据轨道角速度矢量和地磁矢量，确定修正项；根据地磁矢 量变化率及修正项 ，确定修正后的磁力矩器的计算磁矩 ；以 及对所述计算磁矩进行限幅 ，得 到磁力矩器的输出磁矩。 [0007] 在本发明的一个实施例中，所述地磁矢量变化率为：
3
CN 109533396 A
说 明 书
[0013] 其中，ω0表示卫星运行的轨道角速度，Bb表示当前拍的地磁场强度。 [0014] 在本发明的一个实施例中，修正后的磁力矩器的计算磁矩为：
[0015]
2/6 页
[0016] 其中，P表示磁力矩器的计算磁矩， 表示当前拍的地磁场矢量变化率。
(74)专利代理机构 上海智晟知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 31313
代理人 张东梅 李镝的
(51)Int .Cl . B64G 1/32(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109533396 A (43)申请公布日 2019.03.29
( 54 )发明 名称 一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法
mi＝-m0·sgn(Pi) (i＝x ,y ,z)
其中m0为磁力矩器的最大输出磁矩，mi为磁力矩器的输出磁矩，P表示磁力矩器的计算 磁矩。
7 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述磁力矩器 的输出磁矩为：
其中mx ，my ，mz分别为X、Y和Z向磁力矩器对应的 输出磁矩 ，Bbx ，Bby ，Bbz分别为地磁矢量Bb
[0008]
[0009] 其中， 表示当前拍的地磁场矢量变化率，Bb表示当前拍的地磁场强度，Bb-表示 前一拍的地磁场强度，Δt表示姿态控制周期。 [0010] 在本发明的一个实施例中，当前拍的地磁场强度和前一拍的地磁场强度通过磁强 计进行测量来获取。 [0011] 在本发明的一个实施例中，所述修正项为： [0012] Q＝Bb×ω0
的X、Y和Z向分量，
分别为地磁矢量变化率 的X、Y和Z向分量，ω0x，ω0y，ω0z
表示卫星运行的轨道角速度的X、Y和Z向分量。 8 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，还包括： 根据所确定的磁力矩器的输出磁矩，驱动磁力矩器工作。
2
CN 109533396 A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ说 明 书
1/6 页
一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法
( 57 )摘要 本发明公开了一种基于磁测磁控的卫星自
旋定向方法 ，包括 ：根据地磁矢量 确定地磁矢量 变化率 ；根据轨道 角速度矢量 和地磁矢量 ，确定 修正项 ；根据地磁矢量变化率及修正项 ，确定修 正后的磁力矩器的计算磁矩；以及对所述计算磁 矩进行限幅 ，得到磁力矩器的输出磁矩。
权利要求书1页 说明书6页 附图6页
Q＝Bb×ω0 其中，ω0表示卫星运行的轨道角速度，Bb表示当前拍的地磁场强度。 5 .如权利要求4所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，修正后的磁力 矩器的计算磁矩为：
其中，P表示磁力矩器的计算磁矩， 表示当前拍的地磁场矢量变化率。 6 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述磁力矩器 的输出磁矩为：
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910040796 .6
(22)申请日 2019 .01 .16
(71)申请人 上海微小卫星工程中心 地址 201203 上海市浦东新区海科路99号4 号楼
(72)发明人 夏喜旺 郭崇滨 陈宏宇 张科科 周世龙
技术领域 [0001] 本发明涉及航天器姿态控制的技术领域。具体而言，本发明涉及一种基于磁测磁 控的卫星自旋定向方法。
背景技术 [0002] 卫星的姿态控制是指对卫星绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在空间定向 的 技术。卫星的 姿态控制系统在卫星的实际 运行 和控制过程中扮演了十分重要的 角色 ，能 够确保卫星飞行过程中姿态的确定和调整，从而顺利完成既定的飞行任务。 [0003] 不同类型的卫星对姿态控制有不同的要求，卫星的姿态控制包括被动姿态控制和 主动姿态控制。姿态敏感器用于测量卫星本体坐标系统相对于某一基准坐标系的相对位置 和角速度，以确定卫星的姿态。卫星系统还包括控制器，控制器根据卫星的姿态和给定的要 求指示执行机构工作。执行机构则根据控制器指令产生相应的控制力矩从而改变卫星的姿 态。 [0004] 利用地磁场来控制卫星的姿态是一种既简单又可靠的方法。因此磁控系统是当前 卫星控制系统中常 用的控制系统。考虑到磁控作用总是垂直于当地磁力线的 ，纯磁控卫星 的姿态稳定系统实际上是欠驱动的控制系统。自旋稳定对于姿态控制欠驱动的卫星而言至 关重要，其关系到卫星的任务实施、能源获取甚至生命安全；对于运行于晨昏轨道上的卫星 而言 ，结合太阳帆板的 布局 ，自 旋稳定可以 实现卫星的帆板对日。B-dot速率阻 尼算法是一 种可靠的非线性姿态控制算法，其通过降低卫星转动动能来实现三轴角速度的降低。
CN 109533396 A
CN 109533396 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，包括： 根据地磁矢量确定地磁矢量变化率； 根据轨道角速度矢量和地磁矢量，确定修正项； 根据地磁矢量变化率及修正项，确定修正后的磁力矩器的计算磁矩；以及 对所述计算磁矩进行限幅，得到磁力矩器的输出磁矩。 2 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述地磁矢量 变化率为：
其中， 表示当前拍的地磁场矢量变化率，Bb表示当前拍的地磁场强度，Bb-表示前一拍 的地磁场强度，Δt表示姿态控制周期。
3 .如权利要求2所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，当前拍的地磁 场强度和前一拍的地磁场强度通过磁强计进行测量来获取。
4 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述修正项 为：
发明内容 [0005] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明仅采用磁强计和磁力矩器实现星体自旋 保证空间定向的姿态控制。 [0006] 根据本发明的一个方面，提供一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，包括：根据 地磁矢量确定地磁矢量变化率；根据轨道角速度矢量和地磁矢量，确定修正项；根据地磁矢 量变化率及修正项 ，确定修正后的磁力矩器的计算磁矩 ；以 及对所述计算磁矩进行限幅 ，得 到磁力矩器的输出磁矩。 [0007] 在本发明的一个实施例中，所述地磁矢量变化率为：
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CN 109533396 A
说 明 书
[0013] 其中，ω0表示卫星运行的轨道角速度，Bb表示当前拍的地磁场强度。 [0014] 在本发明的一个实施例中，修正后的磁力矩器的计算磁矩为：
[0015]
2/6 页
[0016] 其中，P表示磁力矩器的计算磁矩， 表示当前拍的地磁场矢量变化率。
(74)专利代理机构 上海智晟知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 31313
代理人 张东梅 李镝的
(51)Int .Cl . B64G 1/32(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109533396 A (43)申请公布日 2019.03.29
( 54 )发明 名称 一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法
mi＝-m0·sgn(Pi) (i＝x ,y ,z)
其中m0为磁力矩器的最大输出磁矩，mi为磁力矩器的输出磁矩，P表示磁力矩器的计算 磁矩。
7 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述磁力矩器 的输出磁矩为：
其中mx ，my ，mz分别为X、Y和Z向磁力矩器对应的 输出磁矩 ，Bbx ，Bby ，Bbz分别为地磁矢量Bb
[0008]
[0009] 其中， 表示当前拍的地磁场矢量变化率，Bb表示当前拍的地磁场强度，Bb-表示 前一拍的地磁场强度，Δt表示姿态控制周期。 [0010] 在本发明的一个实施例中，当前拍的地磁场强度和前一拍的地磁场强度通过磁强 计进行测量来获取。 [0011] 在本发明的一个实施例中，所述修正项为： [0012] Q＝Bb×ω0
的X、Y和Z向分量，
分别为地磁矢量变化率 的X、Y和Z向分量，ω0x，ω0y，ω0z
表示卫星运行的轨道角速度的X、Y和Z向分量。 8 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，还包括： 根据所确定的磁力矩器的输出磁矩，驱动磁力矩器工作。
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CN 109533396 A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ说 明 书
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一种基于磁测磁控的卫星自旋定向方法
( 57 )摘要 本发明公开了一种基于磁测磁控的卫星自
旋定向方法 ，包括 ：根据地磁矢量 确定地磁矢量 变化率 ；根据轨道 角速度矢量 和地磁矢量 ，确定 修正项 ；根据地磁矢量变化率及修正项 ，确定修 正后的磁力矩器的计算磁矩；以及对所述计算磁 矩进行限幅 ，得到磁力矩器的输出磁矩。
权利要求书1页 说明书6页 附图6页
Q＝Bb×ω0 其中，ω0表示卫星运行的轨道角速度，Bb表示当前拍的地磁场强度。 5 .如权利要求4所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，修正后的磁力 矩器的计算磁矩为：
其中，P表示磁力矩器的计算磁矩， 表示当前拍的地磁场矢量变化率。 6 .如权利要求1所述的基于磁测磁控的卫星自旋定向方法，其特征在于，所述磁力矩器 的输出磁矩为：