三轴稳定航天器的姿态确定-Read

XSE
λ
YSE
λ= ωrot[(tout+tin)/2-tref]=μ/2- ωrot(tref-tin)
姿态解算原理
视角半径
z ρ=arcsin(RE/r)
ZSE
ωrot
球面三角AEM余弦定理
z cosρ =cosγ cosη +sinγsinηcos(μ/2)
γ η
μ/2
红外扫描锥
求出E与自旋轴的夹角η 地球方向的单位矢量
ϕ 1 = −λ1
俯仰红外地球敏感器工作原理
YB ZSE
安装形式——XSE、ZSE 与ZB、YB一致 安装矩阵 测量输出 固有信息
⎡0 0 1 ⎤ ⎥ C SEB 2 = ⎢ 1 0 0 ⎢ ⎥ ⎢ ⎣0 1 0 ⎥ ⎦ ⎡ sin η 2 sin λ 2 ⎤ ⎢ cos η ⎥ T = E B = C SEB E 2 SE 2 ⎢ ⎥ ⎢ ⎣sin η 2 cos λ 2 ⎥ ⎦
⎡0 0 1 ⎤ ⎥ C SEB1 = ⎢ 0 − 1 0 ⎢ ⎥ ⎢ ⎣1 0 0⎥ ⎦ cos η 1 ⎡ ⎤ ⎢− sin η sin λ ⎥ T E B = C SEB E = 1 SE 1 1⎥ ⎢ ⎢ ⎣ sin η 1 cos λ1 ⎥ ⎦
YB O YSE
XSE ZB
E B = C BO E O
z 扫描自旋轴沿滚动轴 z 扫描自旋轴沿俯仰轴
γ η
ωrot
μ/2
红外扫描锥
测量坐标系OSEXSEYSEZSE
z OSE：红外扫描锥的顶点 z ZSE：沿扫描自旋轴方向 z XSE：垂直于扫描自旋轴并 使敏感器的基准点位于 OSEXSEZSE平面内 z YSE：构成右手正交系
M
ρ
E
η
OSE
λ
YSE
4.1.1 天底方向的测量 圆锥扫描式红外地球敏感器 敏感器的安装及测量坐标系 姿态信息测量 姿态解算原理 滚动红外地球敏感器工作原理 俯仰红外地球敏感器工作原理 双红外地球敏感器工作原理 注意事项
圆锥扫描式红外地球敏感器
圆锥扫描式红外地球敏感器
红外扫描锥
z 专用的扫描驱动机构 ZSE A z 红外扫描锥 z 辐射强度突变使探测元件输出突变 z 产生“地入”“地出”两个脉冲tin、tout z 基准点脉冲tref
注意事项
地球的椭球效应
z 以上推导皆假设地球是球形的，而地球是椭球形的； z 为了提高测量精度，可以引入修正量； z 此修正量与地球敏感器的安装、卫星姿态、轨道位置有关。
红外地球敏感器不能测量偏航姿态
z 由于地球为球形对称，红外地球敏感器对绕地心垂线的转动 是不可观的。
其它类型的红外地球敏感器
XB O YSE
XSE ZB
E B = C BO E O
E O = [0 0 1]
T
3-1-2Euler角 C BO
测量结果
⎡* * − cos ϕ 2 sin θ 2 ⎤ ⎥ ϕ * * sin =⎢ 2 ⎢ ⎥ ⎢ ⎣* * cos ϕ 2 cos θ 2 ⎥ ⎦
⎡− cos ϕ 2 sin θ 2 ⎤ ⎥ ϕ EB = ⎢ sin 2 ⎢ ⎥ ⎢ ⎣ cos ϕ 2 cos θ 2 ⎥ ⎦
ϕ 2 = −η 2 + π 2
θ 2 = −λ 2
双红外地球敏感器工作原理
单个红外地球敏感器存在的问题
z 可以测量出滚动和俯仰姿态角，但结果与轨道参数有关。
与轨道参数无关的测量方法——安装两个红外
z 滚动红外λ1和俯仰红外λ2 ϕ=-λ1, θ=-λ2 z 两个红外的测量坐标系重合(半锥角不同) cosρ =cosγ1cosη +sinγ 1sinηcos(μ1/2) cosρ =cosγ2cosη +sinγ 2sinηcos(μ2/2) 消去ρ，求η 。利用λ 、η易于求出滚动和俯仰姿态角， 也与ρ无关。
地平
红外扫描锥
z 在扫描机构驱动下,敏感器视场的光轴在空间的轨迹形成的圆锥 z 圆锥的方位相对于敏感器固定,对称轴为扫描自旋轴
基准点
z 在敏感器上设置一固定基准点，在扫描机构上安装敏感元件； z 当扫描自旋轴与红外视场光轴半平面扫过该基准时，发出脉冲。
敏感器的安装及测量坐标系
ZSE
敏感器的安装
XSE
姿态信息测量
测量输出
z tin：扫入脉冲时刻 z tout：扫出脉冲时刻 z tref：基准点脉冲时刻
γ η
红外扫描锥
ZSE
ωrot
μ/2
M
可计算出的参数
z 地球弦宽μ
ρ
E
η
OSE
μ=ωrot(tout-tin)
z 地心方向单位矢量E在平 面OSE XSE YSE上的投影与 XSE轴的夹角λ
第四章 三轴稳定航天器的姿态确定
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 三轴姿态信息测量 三轴姿态确定的代数法 三轴姿态确定的最优估计 三轴姿态确定举例
§4.1 三轴姿态信息测量
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 天底方向的测量 太阳方向的测量 星光方向的测量 地磁场方向的测量 无线电信标方向的测量 惯性参考方向的测量
z ESE=[sinηcosλ, sinηsinλ, cosη]T
M
ρΒιβλιοθήκη Baidu
E
η
OSE
λ
YSE
列出姿态解算方程
z CBSEESE= CBOEO
XSE
测量信息 ESE
EB
EB
EO 固有信息
比较两个EB ，计算姿态角
滚动红外地球敏感器工作原理
XB ZSE
安装形式——XSE、ZSE 与ZB、XB一致 安装矩阵 测量输出 固有信息
3-2-1Euler角 C BO
测量结果
θ 1 = η1 − π 2
E O = [0 0 1] − sin θ 1 ⎤ ⎡* * ⎥ * * sin ϕ cos θ =⎢ 1 1⎥ ⎢ ⎢ ⎣* * cos ϕ 1 cos θ 1 ⎥ ⎦
T
⎡ − sin θ 1 ⎤ ⎥ sin ϕ cos θ EB = ⎢ 1 1⎥ ⎢ ⎢ ⎣cos ϕ 1 cos θ 1 ⎥ ⎦
z 摆动扫描式 z 边界跟踪式(精度高、视场小) z 辐射热平衡式
4.1.2 太阳方向的测量 数字太阳敏感器 敏感器的安装及测量坐标系 数字太阳敏感器工作原理 基于数字太阳敏感器的姿态测量 其它形式的太阳敏感器
数字太阳敏感器
包括狭缝、码盘、光敏元件阵 列、放大器和缓冲寄存器； 输出信号是与太阳入射角相 关，编码形式，离散函数； 光敏元件阵列是由一排相互平 行且独立的光电池条组成，其 数量决定了输出的位数，从而 影响到敏感器的分辨率。