[发明专利]内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法

说明书

本发明公开一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法，控制系统包括芯片星、柔性可驱动材料制成的柔性杆件以及外力矩产生器；外力矩产生器和柔性杆件连接后，通过柔性杆件连接到芯片星主体上，将柔性杆件与外力矩产生器结合共同合作用于芯片星姿态轨道控制，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节，将两种不同的调姿机构串联，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节，可以更加高效的利用外力矩对芯片星姿态进行，并在任何时刻都保有姿态调节的能力，减小芯片星自身能量的消耗，精简姿态轨道控制系统的结构布局，简化控制理论，提高调姿效率。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法。

背景技术

芯片星作为微小型卫星的一种，一经提出，就受到了航天业界的广受关注。得益于芯片技术的发展，一些以往只有大型航天器才能执行的任务，现在只需一颗或几颗小巧的芯片星即可替代；而且相对于传统的大型航天器而言，芯片星在制造和发射成本上有着极大的优势。由于自身大小和质量的限制，传统的姿态确定和调节方式(如动量轮等)在芯片星上无法应用或者要受到相当大的限制。

目前，针对芯片星的姿态调节问题，有着外部环境力矩和内力矩两种不同的方式，都有着一定程度的比较成熟的研究。

外界环境力矩作用的姿态轨道调整方式中，已知的已有外部环境力矩来源有太阳帆、电动力绳等；即分别为利用太阳光压力和星球磁场力矩对芯片星姿态轨道进行调节。具体的实施方式和力矩来源则为在芯片星表面贴附的太阳帆面板以及外延的电动力绳。针对芯片星的姿态轨道调节问题，外界环境力矩作用是一种比较有效的调节方式，但也存在着诸多缺点。一方面，外界环境力矩产生器的工作方式受其布局影响较大。以电动力绳为例，要想避免出现可能的奇异性，保证芯片星在5个自由度上的姿态调整能力，需要8根电动力绳的合理布局才能予以基本的保证，而过多的电动力绳外延无疑会加大芯片星的质量负载和空间占用，而且会影响卫星上其他部件的结构布局。太阳帆板也是如此，在芯片星表面上的多处且多块粘附的太阳帆板无疑会占用大量的表面空间，影响诸多部件尤其是太阳能电池板的布局，从而对卫星续航能力带来严重的影响。另一方面，外界环境力矩的产生还会受到外界环境的影响。其中，太阳帆板，顾名思义，明显要受太阳光照条件的限制，当不能受到太阳光照或者太阳光照入射角太差时，都无法产生良好的力矩以对卫星姿态轨道进行调节。而电动力绳要同时受到星球磁场和电离层的双重限制，如果没有合适的电离层来收集电荷，则电动力绳将缺乏流通的电荷而无法提供力矩，而当电动力绳布局同磁场平行时，同样无法产生力矩以供姿态轨道调节。综上所诉，运用外界环境力作用对芯片星进行姿态轨道调整的方式对卫星构型、工作空间、调节时间和位置有着颇为苛刻的要求，受环境(电离层、磁场、太阳光照等)因素影响大、亦会受初始状态条件限制较大，极有可能出现在需要进行姿态调整时无法第一时间响应甚至无法响应的现象。

内力矩作用的姿态轨道调整方式中，目前针对相对大一些的微星、立方星等芯片星也有了一些利用卫星自身构件作为配重的姿态调整方式的研究。芯片星的内力矩姿态轨道控制，主要是基于动量矩守恒定理，通过改变卫星主体和附件的相对结构位置，来调整卫星的姿态轨道。相对于外力矩而言，内力矩姿态轨道控制方式有着不受外界环境影响的优点，然而，内力矩姿态轨道调整方式同样有着一些自身难以避免的缺陷。一方面，内力矩姿态调整方式则受限于自身能量储备限制，而芯片星自身携带能量往往十分有限，且在轨期间可能难以获得良好的再充能环境，因此使用内力矩对芯片星调整姿态的次数和幅度可能无法满足需求，而且会大大减少卫星的工作寿命。另一方面，基于角动量的内力矩姿态轨道调节过程中，对卫星主体的姿态调节必然伴随着卫星相对结构的变化，而受限于卫星结构变化的范围限制，卫星主体姿态调节空间往往有限；此外要想保证卫星的各个部件都保持在应处的合理姿态布局十分困难，需要进行复杂而繁琐的控制与优化。

发明内容

为了克服现有的内力矩与外力姿态调整方式各自的不足,本发明提出一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法，结合了两种调节方式，有效的发挥两种调节方式的优点，弥补各自的不足。