航天器控制工具箱

航天器控制工具箱

Spacecraft Control Toolbox

基于Matlab软件的航天器控制工具箱Spacecraft Control Toolbox 是Princeton Satellite System公司（简称PSS）最早和应用最广的产品之一，有20多年的历史，被广泛用来设计控制系统、进行姿态估计、分析位置保持精度、制定燃料预算以及分析航天器动力学特性等工作。Spacecraft Control Toolbox 工具箱经过多次飞行验证，证明是行之有效的。这个工具箱涵盖了航天器控制设计的各个方面。用户可以在很短的时间内完成各种类型航天器控制系统的设计和仿真试验。软件的模型和数据易于修改，具有良好的可视化功能。大部分算法都可以看到源代码。

Spacecraft Control Toolbox（简称SCT）由不同的模块组成。

组成结构图如下

各个模块的主要功能和特点

SCT Core Toolbox -- 基本工具箱

基本功能,包括数学计算和模型

•姿态动力学和运动学

•CAD工具

•坐标转换

•环境模型

•星历表

•多体动力学SCT System Module - 子系统模块

一些子系统的模型

•链路模块：无线电和光学链路

•推进模块：电推进和化学推进

•热分析模块：基本的热设计函数SCT Orbit Module -- 轨道模块

SCT Core Toolbox -- 基本工具箱

SCT基本工具箱针对需要迅速解决实际工程问题的工程师而设计，包含了航天器控制系统设计的基本内容，也是其他SCT模块运行的基础。它建立在PSS公司大量工程经验的基础上，其中包括GPS IIR、Inmarsat 3和GGS Polar Platform卫星的控制系统设计。迄今这些系统仍然在太空正常运行。PSS公司使用这个工具箱完成的Cakrawarta-1卫星姿态控制系统设计，所花费用仅仅是通常的十分之一。这颗卫星从1997年11月升空一直运行至今。另外的例子还包括一颗NASA卫星的姿态控制系统设计。

主要功能和特点

•航天器控制系统设计和分析

•柔性多体航天器姿态动力学建模

•包含柔性体展开模型和多体的逻辑树描述

•轨道动力学分析和仿真

•姿态估计

•星历表计算

•包括大气、重力场和磁场的环境模型

•指向保持的燃料预算

•各种有用参数的数据库；

•可视化

包含了丰富的2维、3维绘图组件，人机交互界面组件，3维CAD建模和可视化工具。

工具箱使用简单，不需要很多培训，还附有大量的pdf文件，其中包含有关航天器控制系统设计的基本教程以及地球同步和日地指向控制设计的详细过程。借助于这些教程和帮助系统，你可以了解设计一个专业的卫星控制系统需要知道的绝大部分内容。

SCT工具箱和PSS公司的仿真器MultiSatSim以及Analytical Graphics公司的STK软件兼容，可以很容易地在它们之间交换数据。

SCT Attitude Control Module -- 姿态控制模块

SCT姿态控制模块建立在SCT 基本工具箱的基础上，为用户提供完整的航天器姿态控制设计工具。

主要功能和特点：

•在日地定向控制中用反作用轮进行指向控制，用磁力矩器进行动量控制

•地球同步卫星任务轨道和转移轨道的偏置动量控制

•自旋卫星反作用轮控制

•双自旋卫星的滚动和偏航控制

•姿态机动策略

•瞬时两轴和常规三轴稳定的磁控制策略。

日地定向控制

日地定向控制模式在很多卫星上使用，如GPS IIR和Topex等卫星。日地定向控制系统调整飞行器的偏航方向，同时太阳翼绕俯仰轴转动，使太阳翼法线对准太阳，这样太阳翼可以输出最大功率而无需附加铰链机构。

地球同步卫星控制

一种低造价的地球同步卫星控制系统方案是用一个固定动量轮作俯仰控制，磁力矩器做偏航和滚动控制。在轨道保持时使用单组元燃料推力器进行三轴控制。卫星在发射后的入轨段和转移轨道使用自旋稳定。左图显示从自旋控制到偏置动量控制的过渡过程

自旋卫星的反作用轮控制

这种方法曾用在Microwave Anisotropy Probe卫星上（微波各向异性检测卫星）。卫星的转动轴和惯性主轴不重合，这可通过反作用轮来实现。右图显示姿态角度的变化过程。应用姿态控制模块将大大加速当今航天器复杂的控制系统设计。

SCT Estimation Module -- 估计模块

基于SCT基本工具箱，提供了轨道和姿态估计所需要的全部工具，包括恒星定姿。

主要功能和特点

•固定增益和可变卡尔曼滤波器

•扰动估算

•对可线化的非线性控制对象应用迭代卡尔曼滤波器

•当控制对象模型需要数值积分时使用连续-离散卡尔曼滤波

•利用地球和太阳的测量数据对陀螺仪数据进行卡尔曼滤波，

•通过太阳和地磁场测量确定姿态，

•滚动/偏航陀螺仪

•协方差分析

•半球共振陀螺仪和光学陀螺仪数据

轨道估计

轨道估计函数基于连续-离散卡尔曼滤波来解算高精度引力场模型。

主要功能和特点：

•连续离散递代扩展卡尔曼滤波

•距离测量模型

•干扰估计

•线形化轨道估计

如果使用轨道估计函数，要求有轨道模块的支持。

恒星定姿

恒星定姿系统利用星敏感器和陀螺仪确定精确的姿态信息，通过对陀螺仪进行速率积分得到惯性姿态，用星敏感器修正陀螺仪的噪声。卡尔曼滤波器中使用一种动态的陀螺仪噪声模型。考虑到航天器可能未装陀螺仪或者陀螺仪不能正常工作的情况，该工具箱还提供了一组单独使用星敏感器确定姿态的函数。

主要功能和特点如下：

•完整的基于卡尔曼滤波的恒星定姿系统

•给出一种利用星图匹配和亮度信息辨别恒星的方法

•完整的 FK5 和 Hyparcos 目录

•通过速率积分陀螺输出数据计算姿态的四元素求解程序

•星敏感器和陀螺仪的模型；

•RLG陀螺、HRG陀螺和机械陀螺仪的噪声模型；