先进陆地观测卫星的精确姿态和轨道控制系统

先进陆地观测卫星(ALOS)精度姿态和轨道控制系统日本，Tsukuba，日本的国家空间开发机构。

Takeshi Yoshizawa, Hiroki Hoshino，和Ken Maeda NEC东芝太空系统，日本横滨。

摘要先进的陆地观测卫星(ALOS)是NASDA的高分辨率地球观测的旗舰。

ALOS任务的特点是同时取得了250万的分辨率和全球的数据收集，它需要一套指向的要求，为观测到的图像提供精确的几何精度。

在指向管理框架,旨在满足指向要求,态度和轨道控制系统(家)对自己严格的要求:态度稳定(3.9×10−4度p p),态度决定射门角度(上:3.0×10−4度),和定位精度(离线:1米)。

为AOCS开发和实现了多种解决方案。

这一挑战包括精密恒星跟踪器、高精度GPS 接收机、高性能机载计算机、基于星型传感器的姿态确定和控制、柔性结构的相位稳定和精密的协同控制。

本文介绍了AOCS原型机的设计和测试结果，重点介绍了新方法的发展，使其具有了一定的精度。

1.介绍在土地观察方面，继续努力争取更高的决议。

随着空间分辨率的提高，观测图像几何精度的重要性越来越明显。

这一趋势已经给今天的地球观测卫星的姿态和轨道控制系统的设计带来了影响。

国家空间发展的先进陆地观测卫星(ALOS)。

图1:先进的陆地观测卫星。

日本航空公司(NASDA)在2004年开始研发，是高分辨率地球观测的旗舰(图1)。

主要致力于制图，ALOS的独特特点是同时实现了信心目标:全球数据收集，分辨率达250万。

这种特性要求精确的地理定位和几何校正，而不需要地面控制点。

为此，我们为ALOS开发了一组指示性需求:指向稳定(-44.010⨯度p-p)，定位精度(板载:-44.010⨯度，脱机:-42.010⨯度)，定位精度(板载:200米，脱机:1m)。

为了满足这些需求，一种扩展了姿态控制、卫星系统和地面系统的集成框架被取消了。

由于姿态和轨道控制系统(AOCS)是实现这些要求的关键，我们对AOCS进行了严格的精度要求。

为了接受这个挑战，AOCS开发并实现了各种解决方案。

ALOS AOCS的特点是它的精度。

它的性能和性能，为日本的姿态和轨道控制系统提供了一个新的标准。

本文介绍了ALOS AOCS原型机的设计和测试结果，特别强调了新的开发。

图2:ALOS原型模型的集成2.先进陆地观测卫星(ALOS)2.1任务概述目前地球观测有两个品种。

一是通过观察全球环境来代表地球科学的使命，而另一个代表实际应用的陆地区域观察任务。

ALOS是一个大型高分辨率卫星，旨在促进实际应用。

特别地，ALOS致力于制图、区域环境监测、灾害管理支持和资源调查，通过全球收集高分辨率图像。

2.2卫星系统为了完成任务要求，ALOS有3个大型观测传感器:立体测图(PRISM)的全色遥感仪(PRISM)，具有2.5m的空间分辨率，先进的可见光和近红外辐射-2 (A VNIR-2)，具有多光谱能力，相控阵型l波段合成孔径雷达(PALSAR)具有全天候观测能力。

作为一个卫星整体，ALOS是一颗大型地球观测卫星，其质量为4000kg，产生的功率为7kW。

它将由一个H-IIA 火箭发射到一个太阳同步的次循环轨道，它的高度为691.65公里，在当地时间的10点30分升节点，并将执行任务5年。

NASDA已经完成了ALOS工程模型的开发测试和原型飞行模型的设计。

目前，如图2所示，卫星原型机模型的测试和积分正在NASDA的Tsukuba空间中心进行。

图3:指向需求的频域表示图4:指向管理系统2.3指出需求具有250万分辨率的全球数据收集的任务特性，得到了精确的地理位置测定和全球观测图像的几何校正的要求。

在重测条件下，像素地理位置的确定精度、图像的几何畸变、调制传递函数的退化都是最小化的，重叠部分是最大的。

为此，需要对卫星位置和传感器的指向方向进行精确的测量，并将传感器指向方向的变化最小化。

表1总结了这些指向需求。

要求在指向稳定性、指示反终止精度和位置确定精度方面遇到困难。

在图3中给出了指向要求的频域表示。

2.4精密指向管理ALOS引入了一个集成框架，如图4所示，以给出这些需求的解决方案。

这个框架，指向管理系统，扩展到传统的AOCS 到热变形的热变形设计，传感器的校准管理，控制带宽的控制，干扰管理，时间管理，高带宽指向测量，数据处理设计，以及基于地面的图像处理的指向确定[3]。

由于卫星姿态的相互作用具有显著的姿态控制精度、姿态稳定性、姿态确定精度和位置确定精度，并给予AOCS(表2)。

表1:指向要求(3σ)3.态度动力学3.1开环动态树脂黄有三个大型柔性结构:太阳能ar-ray 桨(PDL)23米的长度和质量的220公斤,PALSAR 天线的长度9米和480公斤的质量,和数据中继通信(DRC)天线2米的长度和质量的160公斤。

柔性结构的最低振动模式为0.03Hz 的太阳能桨，0.5Hz 为PALSAR, 3.7Hz 为DRC ，在无约束条件下。

在图5中给出了卫星的典型开环频率响应。

考虑到这些灵活的结构和ALOS 的平移运动，我们可以通过以下的运动方程来表达ALOS 的态度动力学:01()j j j T j i i i c e j iI R qT T ωδδ+⨯+=+∑∑ (1) 0+0jj i i TvCG j j M q δ=∑∑ (2)2T T 0112()0j j j j j jj j j i i i i i i j i i CG i q q q R v ζωωωδδδ+++⨯++= (3) i=模式编号，j = PDL, PALSAR, DRC 。

3.2干扰图6展示了ALOS 的态度动态及其关系的主要元素。

内部和外部干扰的Ma-jor 源包括DRC 的天线驱动机构、AVNIR-2镜像驱动机构、反应轮、PDL 驱动机构、PDL 热-mal snap ，以及太阳辐射压力不连续性的环境干扰。

这些扰动不仅影响了航天器主体的刚体姿态，而且激发了DRC H/D 齿轮和支撑臂、PALSAR 、PDL 、空间飞行器主结构和推进剂晃动的各种动态模式。

除了这些因素外，错误的姿态控制参考框架也会导致姿态退化。

系统角质层的陀螺效应也很重要。

图6:扰动和动态模式图7:干扰频率特性3.3频率特性先前描述的扰动和动态模式有它们自己的频率内容。

图7显示了它们的频带，表明扰动和动态模态分布在较宽的频率范围内。

虽然姿态位移的低频率分量主要受到姿态控制的抑制，但干扰抑制控制带宽和姿态控制的补偿带宽是频率受限的。

因此，本征值管理和干扰管理对控制带宽之外的姿态位移具有重要的意义。

图5:姿态频率响应(PDL角度= 90度)图8:AOCS过渡方式工艺流程图4姿态和轨道控制系统4.1 概述ALOS姿态和轨道控制系统(AOCS)的主要规格见表2。

ALOS AOCS基于三轴垂向姿态确定和零动量姿态控制。

它有一个采集模式，一个正常的控制模式，和一个轨道控制模式，如图8所示，并通过一个基于星型跟踪的姿态确定和控制在正常控制模式下，实现了表2中指定的精度。

这个AOCS 是由它的精度所独有的，特别是姿态稳定性(43.910-⨯度/5s)，板载的刚毅测定精度(43.010-⨯度)，地面定点定位精度(42.010-⨯度)，地面定位定位精度(1m +)。

在设计这个AOCS 时，我们开发了新技术，以实现ALOS 的精度要求，同时利用ETS-VI 、ADEOS 和ADEOS-II AOCSs 的技术传统。

4.2体系结构4.2.1硬件体系结构该体系结构如图9所示（硬件架构）和图10（软件体系结构）。

除了传统的成分如地球传感器（ESA ），太阳传感器（FSS ），惯性参考单元（IRU ），和磁力矩器（MTQ ）、AOC 介绍以下新的组成部分：（1）高精度星敏感器（STT ）与随机误差角9.0arecsec 和0.74弧秒偏置角误差，（2）高精度GPS 接收机（GPSR ）能够双频载波相位测量，（3）高性能机载计算机（AOCE ）基于新的64位星载微处理器，和（4）用于补偿桨致热卡和天线驱动引起的干扰力矩大飞轮。

图9：AOC 体系结构（硬件）图10：体系结构（软件）图11：AOC的闭环控制框图4.2.2软件架构该飞行软件(ACFS)是用C语言在一个基于商业的基于电子的实时操作系统上实现的。

态度等传统的应用程序采集、轨道控制,ESA的基础态度确定和控制,和FDIR安装以下新功能:(1)FMM(容错多处理器经理),(2)明星身份,(3)精密态度决心使用扩展卡尔曼滤波,(4)精密合作控制,(5)桨驱动控制与动态避免共振,(6)轮角速度偏差操作,(7)上精密轨道模型,(8)1553 b 数据之间,(9)冲洗液兼容的数据处理。

4.2.3闭环架构将AOCS硬件和软件集成在一起构成图11所示的闭环。

该AOCS的一个独特之处是基于STT的精度态度决定(PADS)和基于ESA的标准态度去终止(SADS)的并行处理。

在正常模式下，AOCS控制ALOS的态度与精确的态度估计，同时它通过FDIR函数来监测精确的态度估计和标准的态度估计。

在精密姿态确定系统的操作和应急模式下，标准的态度也被用于姿态控制。

该设计使我们能够为用户提供精确的态度，以达到卓越的姿态控制和态度的稳定性，同时以标准的态度决定国家的传统，最大限度地降低风险。

图12展示了AOCS组件在进行的原型飞行测试中的飞行硬件。

4.3 容错设计ALOS AOCS的容错设计有三个层次。

在最低级别上，所有AOCS组件都有内部冗余或备用冗余，以实现对单个硬件故障的健壮性。

在这些冗余的基础上，建立了容错计算机系统，在此基础上，通过FMM、回滚处理、延时表型和MPU重新配置对2个MPU的相互监视，在单个故障、单个事件或MPU级别的延迟事件中维护计算能力。

此外，该系统还通过EDAC 进行了1位错误校正，并通过观察狗定时器对其进行了过度躲避。

在顶部的层次结构中，在ACFS中的FDIR程序是一个失败，并对一个子系统级异常重新配置AOCS。

图12:AOCS PFM在原型飞行测试中图13:指向数据处理图14 :AOCE结构表3:AOCS组件规范4.4数据处理设计地球观测卫星的现代姿态和轨道控制系统预计将具有生成任务数据的附加功能，用于观测图像的几何校正。

ALOS AOCS可以提供24小时的人力资源。

态度估计，数据，数据，和GPSR 数据，除了传统的健康和家庭保持遥测。

如图13所示，这些数据以全速率被记录下来，并作为低速任务数据与地面接收站的低速度任务数据相关联，在这些站点中，离线的姿态和位置决定被执行，以达到较高的精度。

5 AOCS组件本节描述了AOCE、STT和GPSR。

其他AOCS组件的主要规格见表3。