[发明专利]小卫星姿态确定系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器技术领域，涉及一种姿态确定系统及方法，尤其涉及一种 针对小卫星平台的低成本、低功耗、高可靠性的姿态确定系统及方法。

背景技术

小卫星广泛应用于通讯、科学实验、环境与资源等众多领域，成为卫星技术 的重要发展方向，受到世界各国的关注。卫星平台的姿态控制系统是卫星正常运 行并完成飞行任务的重要保障系统之一，而卫星姿态的确定是实施姿态控制的基 础，因此，针对小卫星成本低，质量轻，技术含量高等特点，研究开发低成本高 可靠性的姿态确定系统具有十分重要的意义。

目前卫星上采用的姿态测量部件主要有陀螺，星敏感器，红外地平仪，太阳 敏感器和磁强计等。其中，陀螺为惯性测量部件，测量卫星的角速度，但可靠性 较低，寿命较短；星敏感器直接测量卫星姿态，精度较高，但价格较高；红外地 平仪有扫描式和静态式两种，通过敏感地球边界获得卫星的滚动角和俯仰角，扫 描式精度较高，但价格较高且存在转动机构，而静态式无转动机构，可靠性较高； 太阳敏感器用于测量太阳矢量，有数字式和模拟式两种，模拟式结构简单，成本 较低；磁强计用于测量地磁矢量，成本低，可靠性高。

目前卫星上采用的定姿算法主要有确定性定姿算法和状态估计法。确定性算 法主要指直接测量(如星敏感器和红外地平仪)和双(或多)矢量定姿算法(如 TRIAD算法，QUEST算法)，确定性算法计算简单但精度较低；状态估计法主要指 最小二乘法和Kalman滤波算法，Kalman滤波一般是利用陀螺和其它姿态测量部 件组合，进行高精度姿态确定，在高精度大卫星平台中应用较多，国外有采用仅 利用磁强计或与太阳敏感器组合的Kalman滤波定姿算法，算法较为复杂。Kalman 滤波算法计算量大，星上一般采用固定增益形式，通过地面上注方式进行增益调 整，实时性差，存在发散的风险。

卫星的小型化、低成本化，迫切要求形成一套结构简单、廉价但又具有较高 精度和可靠性的姿态确定系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种针对小卫星平台的低成本、低功耗、 高可靠性的姿态确定系统。

另外，本发明还提供上述姿态确定系统的姿态确定方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种小卫星姿态确定系统，其包括：

若干姿态测量部件，用以对反映卫星姿态的信息进行测量；姿态测量部件包 括红外地平仪、太阳敏感器、磁强计；

中央处理器，用以采集上述姿态测量部件测量数据，计算环境模型，并根据 测量数据和环境模型选择相应的定姿算法进行姿态确定；其包括：

地平仪数据采样及处理单元，用以根据所述红外地平仪测量的数据判断红外 地平仪的状态；

太阳敏感器数据采样及处理单元，用以根据所述太阳敏感器测量的数据判断 太阳敏感器的状态及卫星本体坐标系中的太阳矢量；

磁强计数据采样及处理单元，用以根据所述磁强计测量的数据判断磁强计的 状态及卫星本体坐标系中的地磁矢量；

环境模型计算单元，用以获取轨道坐标系下的太阳矢量、地磁矢量；

定姿选择单元，用以根据所述地平仪数据采样及处理单元、太阳敏感器数据 采样及处理单元、磁强计数据采样及处理单元、及环境模型的数据，选择相应的 定姿算法进行姿态确定。

作为本发明的一种优选方案，当卫星不在稳态工作模式时，定姿选择单元控 制所述姿态确定系统选择非稳态定姿算法，通过获取的测量数据选择定偏航角地 平仪定姿算法、不定偏航角地平仪定姿算法、双矢量定姿算法、单磁强计定姿算 法中的一种；

当卫星进入稳态工作模式时，定姿选择单元控制所述姿态确定系统选择稳态 EKF定姿算法，通过获取的测量数据选择红外地平仪/太阳Kalman滤波算法、红 外地平仪/磁Kalman滤波算法、太阳/磁Kalman滤波算法、单磁Kalman滤波算 法中的一种。

作为本发明的一种优选方案，所述定姿选择单元控制姿态确定系统选择非稳 态定姿算法包括：

当地平仪有效、数据正常，且卫星位于阳照区、太阳敏感器正常时，选择定 偏航角地平仪定姿算法；

当地平仪有效、数据正常，且卫星位于阴影区或太阳敏感器故障时，选择不 定偏航角地平仪定姿算法；

当地平仪失效或故障，且卫星位于阳照区、太阳敏感器正常时，选择双矢量 定姿算法；