萤火一号火星探测器姿态控制分系统设计.pdf

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1、上海航天AEROSPACESHANGHAI第30卷2013年第4期文章编号：1006—1630(2013)04一0064一05萤火一号火星探测器姿态控制分系统设计尹海宁，周连文，袁彦红，聂章海(上海航天控制技术研究所，上海200233)摘要：对萤火一号(YH一1)火星探测器姿态控制分系统设计进行了研究。介绍了分系统的特点与组成、控制模式，设计了基于四元数的反馈控制律。采用的绕空间任意欧拉轴机动的控制方案可实现47c空间内的机动，且有较高的自主性，以确保探测器在轨运行的安全。地面模拟飞行试验验证了器上自主控制等措施。

2、关键词：深空探测；姿态控制；自主控制；四元数中图分类号：V448．22文献标志码：ADesignofAttitudeControlSubsystemforYH一1MarsProbeYINHai—ning，ZHOULian—wen，YUANYan-hong，NIEZhang—hai(ShanghaiInstituteofSpaceflightControlTechn0109y，Shanghai200233，China)Abstract：Thedesignoftheattitudecontrolsubsystemfor

3、YH一1MarspIDbewasstudiedinthispaper．Thecharacteristics，compositionandc。ntrolmodeofthesubsystemweregivenout．Thequatemionfeedbackcontr01algorithmwasdesigned．Thecontr01algorithmbymovingroundanyEulara)【isinthespacecouldmovetoanydirectioninthe47cspace，whichwashighau

4、tonomoustoensuretheon-orbitoperationsecurityofYH一1Marspmbe．YH一1Marspmbe’sautonomouslycontrolalgorithmhadbeenpmvedtheavailabilitybysimulationtheflyingonobit．Keywords：Deepspaceprobe；Attitudecontrol；Auton。mouscontrol；Quaternion0引言YH一1火星探测器是一颗三轴稳定控制卫星，其姿态控制分系统以三轴稳

5、定方式控制器体姿态，进行火星成像(对火定向)、获取能源(对日定向)、对地数传(对地定向)，以及控制器体指向空间的某一方位(掩星科学试验)等。姿态确定系统根据控制模式采用不同的姿态确定算法：在粗对日模式下通过星体模拟太阳角计获取姿态信息，在其他模式下根据陀螺测量信息计算姿态，并使用星敏作周期性修正。姿态控制分系统主要使用反作用飞轮的比例积分微分(PID)控制和喷气开关控制。此外，喷气执行机构还用于动量卸载。本文对YH一1火星探测器姿态控制分系统设计进行了研究。收稿日期：2012一09—25作者简介：尹海宁(1975一

6、)，女，高级工程师，主要从事卫星姿态控制系统研究。1分系统特点YH一1火星探测器姿态控制分系统工作模式的设置和分系统控制方案的设计与其任务要求密切相关。与地球轨道卫星相比，火星探测器姿态控制分系统有以下特点：a)因所处环境温度变化范围较大，系统单机须具备相应的适应能力，如飞轮能在一30℃低温下启动等。b)探测器本体安装有与地面通信的窄波束高增益天线，因此在稳态运行阶段须保持高精度的地球指向控制。c)YH一1火星探测器距离地球3．8亿千米，上行指令往返1次耗时约40min，在初始分离入轨阶段和长期在轨运行阶段，无法像

7、常规地球卫星那样使用地面测控支持手段，需依赖系统的自主控制能力，维持在轨正常运行。‘d)当火星公转至某一特定位置，即太阳处在地球和火星连线的中间(日凌，如图1所示)而影响通信链路的畅通时，须保证探测器仍能安全运行。第30卷2013年第4期尹海宁，等：萤火一号火星探测器姿态控制分系统设计e)对质量的限制非常严格，以最少的部件组成高可靠性系统且满足各种性能要求。图1日凌示意Fig．1Suntransmit0utage2分系统组成YHl火星探测器姿态控制分系统由推力器6台、反作用飞轮4只、微机械陀螺4只、APS星敏感器2

8、台和模拟太阳角计4只组成，如图2所示。分系统单机质量见表2。正MS陀螺4J星敏感器2台模拟量RS422路。模拟路，模拟路。模拟路，模拟阳角计l阳角计1阳角计2角计综合电子计算机反作用飞轮4只推力器图2姿态控制分系统组成Fig．2C0mpositionofattitudecontroIsubsystem表l姿态控制分系统单机质量Tab．1I)eVicema蟠o