一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法和系统与流程

1.本发明涉及一种径向位姿估计方法和系统，属于航天技术领域。


背景技术：

2.磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子悬浮起来的一种高性能轴承。由于磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑、低成本、低损耗、寿命长等众多优点，它既可应用于高速运动场合又可应用于低速洁净场合等广泛的应用领域。
3.旋转扫描卫星通过载荷(如相机等)稳速旋转的摆扫、锥扫、环扫等实现了扫描轨迹与飞行轨迹相交，从而显著扩大载荷的扫描范围。在相机等载荷的快速扫描成像或拼接成像等模式下，可实现千公里级的超宽幅成像。
4.将磁悬浮轴承应用于旋转扫描卫星上，即构成磁悬浮旋转扫描成像遥感卫星，它可实现遥感载荷的超幅宽高分成像。该卫星主要由包括提供能源、姿轨控、热控等系统服务的平台舱和主要由旋转扫描相机和星敏感器等构成的载荷舱；而动、静两舱之间通过磁悬浮旋转关节软连接，磁悬浮旋转关节既可隔离平台舱的宽频扰振，又可对载荷舱的位姿进行二次精调，从而使得相机等载荷的指向具有超精超稳超静超宽幅的“超”潜力，可为载荷成像营造一个良好的工作环境；同时也能调节定转子间的相对位置，保障无线通讯的快速有效数据传输。该磁悬浮旋转扫描卫星可用于高分辨率载荷等的快速大范围高分辨率成像。可用于地面详查和海面、陆地和空中移动目标的快速发现和大范围跟踪。
5.磁悬浮旋转关节为载荷舱提供精密支承和转动控制，通过磁悬浮旋转关节角度(旋转变压器)和位移(电涡流位移传感器)测量部件、平台舱姿态测量部件、载荷舱姿态测量部件，保证载荷舱转轴指向控制精度，并为相机光轴等提供高精度指向测量数据。因此通过传感器进行测量反馈，通过控制器进行信号处理和控制信号生成，并通过磁轴承的作动来实现载荷舱姿态机动与保持。
6.鉴于载荷舱工作于连续旋转扫描模式，只有利用高动态星敏感器和陀螺等才能测量其姿态。但是在某些转角范围内，星敏感器未指向星空，因此无法通过星敏感器定姿，故一般采用高动态星敏感器间隙性测量和高动态陀螺外推的方式，可是高动态敏感器测试精度相对平台舱的星敏感器和陀螺的精度低一个量级，且外推方式确定的姿态精度更低。这对于超精超稳超静控制而言，反馈精度显得不足。可是型号对载荷的指向精度要求较高，在角秒级。可见，高要求与低测量手段之间的矛盾突出，急需突破，才能真正实现高精度位姿控制。且为了减小载荷舱质量等，为其配置的星敏感器和陀螺数量少，冗余亦较低。
7.现有的相机等载荷与平台固连式卫星和机械支撑旋转扫描式卫星等，一般都直接利用星敏感器和陀螺等姿态敏感器对载荷姿态进行直接测量，或因姿态精度要求不高等原因而不直接关注载荷姿态；推扫成像的分离式卫星可递推估计载荷舱姿态，但因其两舱无相对旋转，因而对敏感器的动态性要求不高，故也直接利用甚高精度姿态敏感器进行直接测量。


技术实现要素：

8.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法和系统，利用以载荷舱为主的旋转体和以平台舱为主的非旋转体的两体动力学关系，以及磁悬浮旋转关节中的电涡流传感器所测量的两体之间的相对位姿信息和平台舱中的星敏感器和陀螺等所测量的平台舱高精度姿态信息，估计载荷舱转轴的指向及其质心的位置。鉴于平台舱的星敏感器和陀螺等的精度较高，在角秒级；而电涡流传感器测得的位移在微米级，由其解算的关节姿态也在亚角秒级；由此通过逐级递推出的载荷舱的姿态精度相对较高，而且该姿态信息为实时姿态，克服了旋转扫描载荷舱中的星敏感器的姿态信息间断的问题；也克服了载荷舱中的高动态星敏感器+陀螺的姿态信息精度不足的问题；同时也为后续载荷舱的超精超稳超静位姿解耦控制提供依据。
9.本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法，包括如下步骤：
10.根据动力学原理，建立旋转扫描航天器的两体质心相对平动关系模型；旋转扫描航天器包括旋转体和非旋转体，旋转体和非旋转体构成两体系统，其中旋转体包括载荷舱和磁悬浮旋转关节转子；非旋转体包括平台舱和磁悬浮旋转关节定子；载荷舱通过磁悬浮旋转关节连接平台舱；
11.根据电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2的安装位置关系，建立两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1和电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线相对距离模型；
12.根据电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2的安装位置，建立两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1和电涡流位移传感器w2的测量截面内定、转子轴线相对距离与电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2所测得的相对位移之间的关系模型；
13.建立旋转体的转轴指向和质心位置模型；
14.利用甚高精度陀螺和星敏感器测得平台舱的绝对姿态[θ
dy θ
dz
]
t
，利用电涡流位移传感器w1、w2测得的相对位移值将电涡流位移传感器w1、w2的安装位置参数h
w
、h
wu
、h
wd
，旋转体质量m
u
，非旋转体质量m
d
和旋转角速度参数ω
ux
，代入旋转体的转轴指向和质心位置估计模型中，得到旋转体在轨道坐标系f
o
内的偏航角θ
uz
和俯仰角θ
uy
，以及旋转体的质心径向位移(y
u
,z
u
)；
[0015]
其中，h
w
表示电涡流传感器w1和电涡流传感器w2之间的轴向跨距；h
wu
表示电涡流传感器w1距离旋转体的质心处的距离；h
wd
表示电涡流传感器w2距离非旋转体的质心处的距离。
[0016]
两体质心相对平动关系模型如下：
[0017][0018]
其中，y
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在y轴方向的位移；z
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在z轴方向的位移；y
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在y轴
方向的位移；z
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在z轴方向的位移。
[0019]
在电涡流位移传感器w1和w2的测量截面内定、转子轴线相对距离模型如下：
[0020][0021]
其中，h
1u
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到旋转体质心处的距离；h
2u
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到旋转体质心处的距离；h
1d
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到非旋转体质心处的距离；h
2d
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到非旋转体质心处的距离；h
1u
＝h
wu
,h
2u
＝h
wu
+h
w
，h
1d
＝h
wd
+h
w
,h
2d
＝h
wd
；
[0022]
θ
uy
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
uz
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；θ
dy
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
dz
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；
[0023]
δy1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δy2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δz1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对距离；δz2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对距离。
[0024]
两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1、w2的测量截面内的定、转子轴线的相对距离与电涡流位移传感器w1、w2所测得的相对位移之间的关系模型如下：
[0025][0026]
其中，
[0027]
若电涡流位移传感器w1、w2安装在磁悬浮旋转关节定子上，则转换矩阵则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；
[0028]
若电涡流位移传感器w1、w2安装在磁悬浮旋转关节转子上，则
[0029]
其中，ω
ux
表示载荷舱相对于平台舱在在轨道坐标系f
o
的x轴方向的旋转角速度；t表示运行时间；
[0030]
则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；
[0031]
再经过初等变换，可将电涡流位移传感器w1、w2的测量值在轨道坐标系f
o
内表示为：
[0032][0033]
其中，
[0034]
旋转体的转轴指向和质心位置模型如下：
[0035][0036]
一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计系统，包括：
[0037]
第一模块，根据动力学原理，建立旋转扫描航天器的两体质心相对平动关系模型；旋转扫描航天器包括旋转体和非旋转体，旋转体和非旋转体构成两体系统，其中旋转体包括载荷舱和磁悬浮旋转关节转子；非旋转体包括平台舱和磁悬浮旋转关节定子；载荷舱通过磁悬浮旋转关节连接平台舱；
[0038]
第二模块，根据电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2的安装位置关系，建立两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1和电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线相对距离模型；
[0039]
第三模块，根据电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2的安装位置，建立两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1和电涡流位移传感器w2的测量截面内定、转子轴线相对距离与电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2所测得的相对位移之间的关系模型；
[0040]
第四模块，建立旋转体的转轴指向和质心位置模型；利用甚高精度陀螺和星敏感器测得平台舱的绝对姿态[θ
dy θ
dz
]
t
，利用电涡流位移传感器w1、w2测得的相对位移值将电涡流位移传感器w1、w2的安装位置参数h
w
、h
wu
、h
wd
，旋转体质量m
u
，非旋转体质量m
d
和旋转角速度参数ω
ux
，代入旋转体的转轴指向和质心位置估计模型中，得到旋转体在轨道坐标系f
o
内的偏航角θ
uz
和俯仰角θ
uy
，以及旋转体的质心径向位移(y
u
,z
u
)；
[0041]
其中，h
w
表示电涡流传感器w1和电涡流传感器w2之间的轴向跨距；h
wu
表示电涡流传感器w1距离旋转体的质心处的距离；h
wd
表示电涡流传感器w2距离非旋转体的质心处的距离。
[0042]
第一模块中，两体质心相对平动关系模型如下：
[0043][0044]
其中，y
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在y轴方向的位移；z
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在z轴方向的位移；y
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在y轴方向的位移；z
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在z轴方向的位移。
[0045]
第二模块中，在电涡流位移传感器w1和w2的测量截面内定、转子轴线相对距离模型如下：
[0046][0047]
其中，h
1u
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到旋转体质心处的距离；h
2u
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到旋转体质心处的距离；h
1d
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到非旋转体质心处的距离；h
2d
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到非旋转体质心处的距离；h
1u
＝h
wu
,h
2u
＝h
wu
+h
w
，h
1d
＝h
wd
+h
w
,h
2d
＝h
wd
；
[0048]
θ
uy
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
uz
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；θ
dy
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
dz
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；
[0049]
δy1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δy2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δz1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对距离；δz2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道
坐标系f
o
的z方向的相对距离。
[0050]
第三模块中，两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1、w2的测量截面内的定、转子轴线的相对距离与电涡流位移传感器w1、w2所测得的相对位移之间的关系模型如下：
[0051][0052]
其中，
[0053]
若电涡流位移传感器w1、w2安装在磁悬浮旋转关节定子上，则转换矩阵则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；
[0054]
若电涡流位移传感器w1、w2安装在磁悬浮旋转关节转子上，则
[0055]
其中，ω
ux
表示载荷舱相对于平台舱在在轨道坐标系f
o
的x轴方向的旋转角速度；t表示运行时间；
[0056]
则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；
[0057]
再经过初等变换，可将电涡流位移传感器w1、w2的测量值在轨道坐标系f
o
内表示为：
[0058]
[0059]
其中，
[0060]
第四模块中，旋转体的转轴指向和质心位置模型如下：
[0061][0062]
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法的步骤。
[0063]
一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法的步骤。
[0064]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0065]
(1)本发明涉及的磁悬浮旋转关节连接的两舱旋转扫描卫星利用两体动力学、磁悬浮关节和平台舱测量信息估计载荷舱位姿。本发明的载荷舱姿态估计方法和系统是基于平台舱和旋转关节已有的测量信息，经过一定的算法加工处理而成，因此无需额外的硬件设备，而且实现了实时高精度位姿估计，为载荷舱位姿控制提供了实时高精度的参考输入，相较于传统的通过陀螺等姿态测量仪器进行直接测量的方法，可节省重量和成本。
[0066]
(2)本发明通过平台舱的高精度实时姿态信息和旋转关节测量信息，即可为载荷舱提供实时的高精度姿态估计，为载荷舱的姿态测量或估计新增了一种手段，为载荷舱的姿态控制提供了一个实时高精度的姿态估计值，也增加了卫星姿态测量系统的冗余度。而且它还估计出了载荷舱质心的在轨道系内的位移量，为无线通讯提供保障，也为后续载荷舱位姿解耦控制提供依据。
[0067]
(3)本发明既克服了载荷舱高动态星敏感器和陀螺的姿态测量精度不足的问题；同时也克服了星敏感器测量不连续的问题；重要的是在载荷舱姿态测量失效的情况下，可通过冗余的平台舱姿态测量手段和冗余的磁悬浮关节的传感器测量信息，准确估计载荷舱姿态，提高卫星的姿态测量手段的冗余，提高卫星中姿态测量系统的可靠性。因此本发明具有直接工程应用的价值。
附图说明
[0068]
图1为本发明中径向测量系统结构示意图；
[0069]
图2为本发明中载荷舱位姿估计的技术路线；
[0070]
图3为本发明的旋转扫描卫星简化模型和坐标系。
具体实施方式
[0071]
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0072]
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法做进一步的说明。本发明拟采用电涡流传感器测量的载荷舱和平台舱的相对位姿信息、平台舱的高精度姿态信息，以及载荷舱和平台舱的系统平动动力学，实时估计载荷舱的高精度指向及其质心位置信息。旋转扫描卫星的径向测量系统结构示意图如图1所示。本发明所提供的载荷舱径向位姿估计方法的流程图如图2所示，该磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法的步骤如下：
[0073]
(1)坐标系建立
[0074]
若将旋转关节的转子和载荷舱等皆视为刚体，载荷舱和关节转子等构成旋转体；并将平台舱和关节定子等构成非旋转体。该卫星系统的简化模型如图1所示。磁悬浮旋转扫描卫星简化模型、坐标系和相关参数如图3所示。
[0075][0076]
图3中，上电涡流传感器为w1，下电涡流传感器为w2。其中，h
w
表示两组电涡流传感器w1和w2之间的轴向跨距；h
wu
表示电涡流传感器w1距离旋转体的质心处的距离；h
wd
表示电涡流传感器w2距离非旋转体的质心处的距离。h
1u
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到旋转体质心处的距离；h
2u
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到旋转体质心处的距离；h
1d
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到非旋转体质心处的距离；h
2d
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到非旋转体质心处的距离。故h
1u
＝h
wu
,h
2u
＝h
wu
+h
w
；h
1d
＝h
wd
+h
w
,h
2d
＝h
wd
。
[0077]
(2)根据整星质心守恒建立两体质心相对平动关系：
[0078]
假设载荷舱和平台舱之间的连接只有磁轴承的洛伦兹力，而无阻尼力。星体所受地球的万有引力g
e
提供整星的法向加速度a
n
，即改变卫星的速度方向，即(m
u
+m
d
)a
n
＝g
e
。且m
u
表示旋转体的质量；m
d
表示非旋转体的质量。除此之外星体在轨道坐标系的x、y和z向受到
的外力为零，故整星的质心运动满足：
[0079][0080]
其中，y
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系在y轴方向的位移；z
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系在z轴方向的位移；y
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系在y轴方向的位移。z
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系在z轴方向的位移；y
c
表示整星质心相对于轨道坐标系在y轴方向的偏移量；z
c
表示整星质心相对于轨道坐标系在z轴方向的偏移量。
[0081]
由此可以解出：y
c
(t)＝0；z
c
(t)＝0，表明两体合质心不动，且
[0082][0083]
由式(2)可解得磁悬浮连接的旋转体和非旋转体两者质心位置关系：
[0084][0085]
上式反映了不受外力的载荷舱和平台舱的两体质心相对运动关系。
[0086]
(3)质心位姿与传感器组测量中心之间的位姿关系：
[0087]
假设θ
uy
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
uz
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；θ
dy
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
dz
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；则载荷舱质心的平移与径向姿态角(y
u
,z
u
,θ
uy
,θ
uz
)和平台舱质心的平移与径向姿态角(y
d
,z
d
,θ
dy
,θ
dz
)；则由此引起的两套电涡流传感器处的y向位移为：
[0088][0089]
以及由此引起的两套电涡流传感器处的z向位移为：
[0090][0091]
其中，平台舱俯仰与偏航姿态(θ
dy
,θ
dz
)通过其甚高星敏感器和陀螺实时测得。
[0092]
假设δy1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δy2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δz1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对距离；δz2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对距离。则质心运动与偏转引起的电涡流位移传感器w1、w2测量截
面内定转子轴线相对位移δy1、δy2和δz1、δz2可通过式(4)和(5)计算得到：
[0093][0094][0095]
则将式(6)和(7)联合并写为矩阵形式为：
[0096][0097]
上式反映了两体径向运动所致电涡流位移传感器w1、w2测量截面内定转子轴线的相对位移。
[0098]
(4)建立传感器测量位移在两坐标系内的转换关系：
[0099]
若假设旋转体和非旋转体的位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1、w2的测量截面内的定、转子轴线的相对距离与电涡流位移传感器w1、w2所测得的相对位移之间的关系模型：
[0100][0101]
r
1x
,r
2x
为转换矩阵，若电涡流位移传感器w1、w2安装于不同位置，r
1x
,r
2x
不同。其中，
[0102]
若电涡流位移传感器w1、w2安装于磁悬浮旋转关节定子，则转换矩阵即当电涡流位移传感器w1、w2位于定子时，则无需旋转变换；则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；
[0103]
若电涡流位移传感器w1、w2安装于磁悬浮旋转关节定子，则转换矩阵其中，ω
ux
表示载荷舱相对于平台舱在轨道坐标系f
o
的x轴方向的旋转角速度；t表示运行时间。则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；
表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；
[0104]
即电涡流位移传感器w1、w2所测得的信号与载荷舱和平台舱间相对转角直接相关，即所测得的信息在旋转体质心本体坐标系f
b
(旋转坐标系)内，而整个动力学模型和姿态等的敏感与评估一般是在轨道坐标系f
o
内，因此需要建立f
b
内的测量位移与f
o
内的相对位姿的转换关系模型。
[0105]
将式(9)写成矩阵的形式：
[0106][0107]
其中，
[0108]
再根据初等变换，交换变量顺序，存在如下关系：
[0109][0110]
其中，结合上述两式可得到：
[0111][0112]
上式将随载荷旋转的电涡流位移传感器w1、w2的测量值转换到轨道坐标系f
o
。
[0113]
(5)建立旋转体质心在轨道坐标系内的位姿估计模型：
[0114]
联立式(3)、式(8)和式(12)，将其进行合并整理可得：
[0115][0116]
根据式(13)可估计出载荷舱旋转轴的指向和质心位置：
[0117][0118]
由此，通过平台舱的姿态信息和电涡流传感器的相对位移测量信息即可估计出载荷舱的偏航姿态θ
uz
和俯仰姿态θ
uy
，以及载荷舱质心位移(y
u
,z
u
)。
[0119]
(6)估计载荷舱质心在轨道坐标系内的径向位姿：
[0120]
利用平台舱的甚高精度星敏感器和陀螺测得平台舱(也就是非旋转体)的俯仰与偏航姿态[θ
dy θ
dz
]
t
；利用电涡流位移传感器w1、w2测得相对位移再对所有测量信息进行滤波处理；
[0121]
最后将电涡流位移传感器w1、w2的安装位置参数h
w
、h
wu
、h
wd
、旋转体质量m
u
、非旋转体质量m
d
和旋转角速度参数ω
ux
，代入旋转体的转轴指向和质心位置估计模型(14)，即可实时估计旋转体(也就是载荷舱)在轨道坐标系f
o
内的偏航姿态θ
uz
和俯仰姿态θ
uy
，以及旋转体的质心径向位移(y
u
,z
u
)，它也反映了载荷舱的径向实时位姿。
[0122]
可见，既实现了以平台舱的绝对姿态为基础，结合磁悬浮旋转关节定转子相对姿态的传递，直接累加可估计载荷舱绝对姿态(角秒级)；又实现了利用旋转关节定转子相对位置数据和载荷舱和平台舱绝对姿态，并结合载荷舱和平台舱的质心平动动力学模型，估计出了载荷舱的绝对位移。
[0123]
综上，本发明利用电涡流传感器测量的载荷舱和平台舱的相对位姿信息、平台舱的高精度姿态信息，以及旋转体和非旋转体的系统平动动力学，即可实时估计出载荷舱高精度指向及其质心的位置信息。鉴于平台舱的星敏感器和陀螺等的精度较高，在角秒级，且测量的姿态信息连续；而电涡流传感器测得的位移在微米级，由其解算的关节姿态也在亚角秒级，且测量的相对位姿信息亦连续；由此通过逐级递推出的载荷舱的姿态精度相对较高，且该姿态信息为实时连续位姿。克服了旋转扫描载荷舱中的星敏感器的姿态信息间断的问题；也克服了载荷舱中的高动态星敏感器+高动态陀螺的姿态信息精度不足的问题；关
键是在载荷舱姿态测量失效的情况下，作为一种备份手段，可通过冗余的平台舱姿态测量手段和冗余的磁悬浮关节的传感器测量信息，准确估计载荷舱姿态，提高卫星的姿态测量手段的冗余度，提高卫星的可靠性。为高精度的指向控制和保障无线通讯奠定了反馈控制的依据；也为后续的载荷舱位姿解耦控制提供姿态与位置反馈信号；同时也为后续载荷舱的超精超稳超静位姿控制提供依据。
[0124]
一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计系统，包括：
[0125]
第一模块，根据动力学原理，建立旋转扫描航天器的两体质心相对平动关系模型；旋转扫描航天器包括旋转体和非旋转体，旋转体和非旋转体构成两体系统，其中旋转体包括载荷舱和磁悬浮旋转关节转子；非旋转体包括平台舱和磁悬浮旋转关节定子；载荷舱通过磁悬浮旋转关节连接平台舱；
[0126]
第二模块，根据电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2的安装位置关系，建立两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1和电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线相对距离模型；
[0127]
第三模块，根据电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2的安装位置，建立两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1和电涡流位移传感器w2的测量截面内定、转子轴线相对距离与电涡流位移传感器w1、电涡流位移传感器w2所测得的相对位移之间的关系模型；
[0128]
第四模块，建立旋转体的转轴指向和质心位置模型；利用甚高精度陀螺和星敏感器测得平台舱的绝对姿态[θ
dy θ
dz
]
t
，利用电涡流位移传感器w1、w2测得的相对位移值将电涡流位移传感器w1、w2的安装位置参数h
w
、h
wu
、h
wd
，旋转体质量m
u
，非旋转体质量m
d
和旋转角速度参数ω
ux
，代入旋转体的转轴指向和质心位置估计模型中，得到旋转体在轨道坐标系f
o
内的偏航角θ
uz
和俯仰角θ
uy
，以及旋转体的质心径向位移(y
u
,z
u
)；
[0129]
其中，h
w
表示电涡流传感器w1和电涡流传感器w2之间的轴向跨距；h
wu
表示电涡流传感器w1距离旋转体的质心处的距离；h
wd
表示电涡流传感器w2距离非旋转体的质心处的距离。
[0130]
第一模块中，两体质心相对平动关系模型如下：
[0131][0132]
其中，y
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在y轴方向的位移；z
u
表示旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在z轴方向的位移；y
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在y轴方向的位移；z
d
表示非旋转体质心相对于轨道坐标系f
o
在z轴方向的位移。
[0133]
第二模块中，在电涡流位移传感器w1和w2的测量截面内定、转子轴线相对距离模型如下：
[0134][0135]
其中，h
1u
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到旋转体质心处的距离；h
2u
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到旋转体质心处的距离；h
1d
表示电涡流位移传感器w1的测量截面到非旋转体质心处的距离；h
2d
表示电涡流位移传感器w2的测量截面到非旋转体质心处的距离；h
1u
＝h
wu
,h
2u
＝h
wu
+h
w
，h
1d
＝h
wd
+h
w
,h
2d
＝h
wd
；
[0136]
θ
uy
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
uz
表示旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；θ
dy
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的y轴的俯仰角；θ
dz
表示非旋转体绕轨道坐标系f
o
的z轴的偏航角；
[0137]
δy1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δy2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对距离；δz1表示电涡流位移传感器w1的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对距离；δz2表示电涡流位移传感器w2的测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对距离。
[0138]
第三模块中，两体质心位姿运动所导致的在电涡流位移传感器w1、w2的测量截面内的定、转子轴线的相对距离与电涡流位移传感器w1、w2所测得的相对位移之间的关系模型如下：
[0139][0140]
其中，
[0141]
若电涡流位移传感器w1、w2安装在磁悬浮旋转关节定子上，则转换矩阵则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在轨道坐标系f
o
的z方向的相对位移值；
[0142]
若电涡流位移传感器w1、w2安装在磁悬浮旋转关节转子上，则
[0143]
其中，ω
ux
表示载荷舱相对于平
台舱在在轨道坐标系f
o
的x轴方向的旋转角速度；t表示运行时间；
[0144]
则，表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w1测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的y方向的相对位移值；表示电涡流位移传感器w2测得的在其测量截面内的定、转子轴线在旋转体质心本体坐标系f
b
的z方向的相对位移值；
[0145]
再经过初等变换，可将电涡流位移传感器w1、w2的测量值在轨道坐标系f
o
内表示为：
[0146][0147]
其中，
[0148]
第四模块中，旋转体的转轴指向和质心位置模型如下：
[0149][0150]
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法的步骤。
[0151]
一种磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述磁悬浮旋转扫描载荷舱的径向位姿估计方法的步骤。
[0152]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0153]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0154]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0155]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0156]
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
[0157]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。