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卫星姿态控制系统是卫星平台的一个重要组成部分,主要实现卫星在轨姿态测量估计以及目标姿态的维持,它是保证卫星任务顺利完成的重要基础。对于皮卫星来说,由于其体积重量限制严格,姿控的主要难点来低功耗、微型化姿态测量和控制部件缺乏。针对这一问题,项目组先后研制了微型化太阳敏感器、小型化磁强计、MEMS陀螺等姿态测量元件,以及微动量轮、磁力矩器等小型化姿态控制元件。以此为基础,浙大皮星1A采用DSP控制器作为主控单元实现了皮卫星三轴姿态控制系统。控制模式采用偏置动量轮与磁力矩器的组合方式,其中偏置动量轮转速固定,用以增强整星在偏航和滚动方向的抗干扰能力,提高系统稳定性。磁力矩器为主要执行机构,用以进行初始入轨的速率阻尼与三轴姿态对地捕获稳定。该系统工作时功耗不超过1W,各姿控部件重量不超过300克,姿态确定与控制精度均在10°以内,满足一般性空间实验的要求。
浙江大学微小卫星研究中心姿态控制相关研究内容包括:
  1. 研究微型化、低功耗、高精度的姿态敏感器件包括模拟太阳敏感器、全景数字式太阳敏感器、微型三轴磁强计、凝视成像地球敏感器、星敏感器等,探索商用器件在微小卫星平台上的应用。
  2. 研究微型化、低功耗、高可靠性的执行机构包括微动量轮、磁力矩器、微喷等。
  3. 高精度姿态确定技术研究:研究多敏感器信息融合技术,发展多模式复合指向的高精度姿态确定算法。
  4. 高精度姿态控制技术研究:研究先进控制理论与控制算法在卫星姿态控制领域的应用,进一步提高平台鲁棒稳定性,实现包括快速姿态捕获、姿态稳定以及全方位姿态机动等在内的多模式高精度姿态控制。
  5. 皮卫星自主导航与轨控技术研究:研究基于GPS、惯性敏感器等的自主导航技术,在此基础上,采用微推力器构建皮卫星的轨道控制系统,实现卫星在轨的轨道调整、轨道维持以及变轨机动等自主控制功能,拓展皮卫星空间应用范围。
  6. 皮卫星编队组网关键技术研究:开展皮卫星星间测距、编队组网、编队保持与变换等关键技术研究,利用多卫星间的信息互联和协同控制以实现更为复杂的空间任务。
图1 浙大皮星1A星体太阳敏感器照片
 
图2 偏置动量轮
 
图3 微型三轴磁强计
图4全景数字太阳敏感器