[发明专利]深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统

说明书

本发明提供了一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统，包括：步骤1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量作为目标姿态基准的+Z轴；步骤2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量，将地器矢量叉乘器日矢量，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；步骤3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。本发明二维天线的机械主轴始终保持对地，轨道变化不影响标定结果；同时帆板能够正对日，保证能源供给。

技术领域

本发明涉及姿态动力学技术领域，具体地，涉及一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统。

背景技术

深空探测器飞行距离远，与地面高速通信只能依靠大反射面、窄波束的高增益天线。当探测器姿态机动和轨道位置变化时，为保证高增益天线仍旧能够指向地球，使用二维机构实现天线的大角度任意指向。受空间外热流影响，机构和天线反射面会在冷热交变环境下发生变形，波束指向产生变化，需要通过器地联合标定的方式寻找天线波束主轴。在标定期间，天线二维机构进行大角度转动，探测器需保证本体系-Z轴始终指向地球，防止姿态变化对标定结果产生影响。

熊亮、王锦清、孙骥等在“深空探测器大口径天线指向在轨标定方案”(见《深空探测学报》，2018年12月，第5卷第6期，页码554-560)中，对嫦娥4号中继星的天线标定方案进行了设计，提出了利用卫星姿态机动的方式实现天线不同角度指向。卫星姿态机动目标姿态由地面计算得出并上注实施。该方法无法解决卫星轨道运动对天线指向的影响，同时由于姿态机动，帆板无法保证垂直受照，影响整星能源供给。

仲维国，崔祜涛，崔平远在“三轴稳定深空探测器的自主姿态制导”(见《宇航学报》，2006年3月，第27卷第2期，页码286-290)中，根据任务需求提出了深空探测器的自主姿态规划方法，在规划中使用了自主导航系统、星历文件、目标矢量作为输入条件，约定了各模式下空间基准定向方位。文中所列的任务模式仅适用对地通信状态，在天线标定需要二维机构大角度转动时则无法满足使用需求。

专利文献CN109039422A(申请号：201810683929.7)公开了一种深空探测高增益天线在轨定标系统及方法，提出了对地天线标定时地面站和探测器上天线指向的操作步骤，但该方法只提出了需要器上对地天线完成对地指向，未考虑探测器姿态和轨道运动时对标定的影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法及系统。

根据本发明提供的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制方法，包括：

步骤1：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，将地器连线的单位矢量r_ep作为目标姿态基准的+Z轴；

步骤2：根据探测器轨道实时计算探测器的位置，计算器日矢量r_ps，将地器矢量叉乘器日矢量r_ep×r_ps，得到的矢量作为目标姿态基准的+Y轴；

步骤3：将+Z、+Y轴叉乘，得到目标姿态参考系的+X轴，使用轮控方式将探测器本体系与目标姿态参考系重合，进行姿态控制。

优选的，深空探测器上的对地高增益天线安装在探测器的-Z面，设置对地姿态目标姿态基准，探测器使用飞轮控制本体使得本体系与姿态基准重合。

优选的，探测器在二维对地天线标定时，天线波束始终覆盖地球。

优选的，探测器在二维对地天线标定时，通过控制帆板驱动机构转角，将帆板正对日。

根据本发明提供的深空探测器二维天线电轴方向标定期间的姿态控制系统，包括：