航天器控制工具箱Spacecraft Control Toolbox基于Matlab软件的航天器控制工具箱Spacecraft Control Toolbox 是Princeton Satellite System公司（简称PSS）最早和应用最广的产品之一，有20多年的历史，被广泛用来设计控制系统、进行姿态估计、分析位置保持精度、制定燃料预算以及分析航天器动力学特性等工作。

Spacecraft Control Toolbox 工具箱经过多次飞行验证，证明是行之有效的。

这个工具箱涵盖了航天器控制设计的各个方面。

用户可以在很短的时间内完成各种类型航天器控制系统的设计和仿真试验。

软件的模型和数据易于修改，具有良好的可视化功能。

大部分算法都可以看到源代码。

Spacecraft Control Toolbox（简称SCT）由不同的模块组成。

组成结构图如下各个模块的主要功能和特点SCT Core Toolbox -- 基本工具箱基本功能,包括数学计算和模型•姿态动力学和运动学•CAD工具•坐标转换•环境模型•星历表•多体动力学SCT System Module - 子系统模块一些子系统的模型•链路模块：无线电和光学链路•推进模块：电推进和化学推进•热分析模块：基本的热设计函数SCT Orbit Module -- 轨道模块SCT Core Toolbox -- 基本工具箱SCT基本工具箱针对需要迅速解决实际工程问题的工程师而设计，包含了航天器控制系统设计的基本内容，也是其他SCT模块运行的基础。

它建立在PSS公司大量工程经验的基础上，其中包括GPS IIR、Inmarsat 3和GGS Polar Platform卫星的控制系统设计。

迄今这些系统仍然在太空正常运行。

PSS公司使用这个工具箱完成的Cakrawarta-1卫星姿态控制系统设计，所花费用仅仅是通常的十分之一。

这颗卫星从1997年11月升空一直运行至今。

另外的例子还包括一颗NASA卫星的姿态控制系统设计。

主要功能和特点•航天器控制系统设计和分析•柔性多体航天器姿态动力学建模•包含柔性体展开模型和多体的逻辑树描述•轨道动力学分析和仿真•姿态估计•星历表计算•包括大气、重力场和磁场的环境模型•指向保持的燃料预算•各种有用参数的数据库；•可视化包含了丰富的2维、3维绘图组件，人机交互界面组件，3维CAD建模和可视化工具。

工具箱使用简单，不需要很多培训，还附有大量的pdf文件，其中包含有关航天器控制系统设计的基本教程以及地球同步和日地指向控制设计的详细过程。

借助于这些教程和帮助系统，你可以了解设计一个专业的卫星控制系统需要知道的绝大部分内容。

SCT工具箱和PSS公司的仿真器MultiSatSim以及Analytical Graphics公司的STK软件兼容，可以很容易地在它们之间交换数据。

SCT Attitude Control Module -- 姿态控制模块SCT姿态控制模块建立在SCT 基本工具箱的基础上，为用户提供完整的航天器姿态控制设计工具。

主要功能和特点：•在日地定向控制中用反作用轮进行指向控制，用磁力矩器进行动量控制•地球同步卫星任务轨道和转移轨道的偏置动量控制•自旋卫星反作用轮控制•双自旋卫星的滚动和偏航控制•姿态机动策略•瞬时两轴和常规三轴稳定的磁控制策略。

日地定向控制日地定向控制模式在很多卫星上使用，如GPS IIR和Topex等卫星。

日地定向控制系统调整飞行器的偏航方向，同时太阳翼绕俯仰轴转动，使太阳翼法线对准太阳，这样太阳翼可以输出最大功率而无需附加铰链机构。

地球同步卫星控制一种低造价的地球同步卫星控制系统方案是用一个固定动量轮作俯仰控制，磁力矩器做偏航和滚动控制。

在轨道保持时使用单组元燃料推力器进行三轴控制。

卫星在发射后的入轨段和转移轨道使用自旋稳定。

左图显示从自旋控制到偏置动量控制的过渡过程自旋卫星的反作用轮控制这种方法曾用在Microwave Anisotropy Probe卫星上（微波各向异性检测卫星）。

卫星的转动轴和惯性主轴不重合，这可通过反作用轮来实现。

右图显示姿态角度的变化过程。

应用姿态控制模块将大大加速当今航天器复杂的控制系统设计。

SCT Estimation Module -- 估计模块基于SCT基本工具箱，提供了轨道和姿态估计所需要的全部工具，包括恒星定姿。

主要功能和特点•固定增益和可变卡尔曼滤波器•扰动估算•对可线化的非线性控制对象应用迭代卡尔曼滤波器•当控制对象模型需要数值积分时使用连续-离散卡尔曼滤波•利用地球和太阳的测量数据对陀螺仪数据进行卡尔曼滤波，•通过太阳和地磁场测量确定姿态，•滚动/偏航陀螺仪•协方差分析•半球共振陀螺仪和光学陀螺仪数据轨道估计轨道估计函数基于连续-离散卡尔曼滤波来解算高精度引力场模型。

主要功能和特点：•连续离散递代扩展卡尔曼滤波•距离测量模型•干扰估计•线形化轨道估计如果使用轨道估计函数，要求有轨道模块的支持。

恒星定姿恒星定姿系统利用星敏感器和陀螺仪确定精确的姿态信息，通过对陀螺仪进行速率积分得到惯性姿态，用星敏感器修正陀螺仪的噪声。

卡尔曼滤波器中使用一种动态的陀螺仪噪声模型。

考虑到航天器可能未装陀螺仪或者陀螺仪不能正常工作的情况，该工具箱还提供了一组单独使用星敏感器确定姿态的函数。

主要功能和特点如下：•完整的基于卡尔曼滤波的恒星定姿系统•给出一种利用星图匹配和亮度信息辨别恒星的方法•完整的 FK5 和 Hyparcos 目录•通过速率积分陀螺输出数据计算姿态的四元素求解程序•星敏感器和陀螺仪的模型；•RLG陀螺、HRG陀螺和机械陀螺仪的噪声模型；恒星定姿系统有两种工作模式。

一种是捕获模式，使用在姿态不确定性比较大的时候；另外一种是跟踪模式，使用在姿态不确定性比较小的时候。

前一种模式使用亮度信息和星图匹配辨认恒星，然后进入第二种模式，通过对辨认出来的恒星进行位置跟踪来对陀螺仪做偏差修正。

系统会自动切换两种工作模式。

下图左显示使用太阳与地球测量数据对姿态角进行估计时，角度的快速收敛过程。

太阳数据在前50秒可用，而后地球遮挡住太阳。

偏航角的估计误差由于陀螺仪的漂移而增大，直到重新测量到太阳数据。

角度估计的误差是陀螺仪漂移的函数。

下图右显示基于线形化轨道模型的轨道干扰估计下图左显示陀螺仪-恒星定姿系统角度估计过程的快速收敛。

下图右显示通过一幅实拍图像计算出的恒星位置SCT System Module - 子系统模块SCT子系统模块为SCT工具箱添加了一些子系统的分析功能。

推进系统模块推进系统模块提供电推进和化学推进系统的模型。

主要功能包括：•电力推进系统优化•多级火箭分析•固体火箭动力学模型•吹下式推进系统设计工具•羽流分析下图是一个电推进系统的设计结果，这个系统的功率质量比高达20kw/kg，有可能通过先进的核聚变推进实现。

热分析模块提供基本的热设计功能，主要包括：•热辐射分析•热动力学仿真•热网络分析•热平衡计算，用Matlab强大的稀疏矩阵函数功能计算热辐射和热传导•热特性链路系统模块链路系统模块提供基本的无线电和光学链路计算•航天器之间以及航天器到地面站的通信链路预算•接收机、雨、天空、太阳和月亮的噪声模型•背景光噪声•雷达分析SCT Orbit Module -- 轨道模块SCT轨道模块提供了轨道动力学分析、仿真和轨道机动方面的功能，包括一个高精确度的轨道解算。

主要功能和特点：轨道机动•脉冲变轨分析•编队飞行算法，包括Hills结构函数•低推力时的螺旋运动和仿真•位置保持分析•大轨道变化的Lambert规律解算器•Bielliptic和Hohmann 变轨轨道解算器•重力模型包括GEM-T1,JGM-2,JM-3和WGS-84。

其他模型可以从NASA的网站下载；•轨道状态向量的协方差弹道计算。

用户可以定制噪声的协方差矩阵•太阳/月亮/地球对地球卫星和月球卫星的引力干扰；•无奇异的球谐重力模型；•太阳光压、地球反射率、地球辐射和阻力模型；•指数、Jacchia和标准大气的大气密度模型；•插入一个轨道控制函数来反映轨控推力器的开启和关闭。

•自动计算弹道倾角、高度和地理经纬度等数据•输出结果可以保存为Matlab文件以便进一步的分析；•轨道解算器使用的是Matlab的ODE113积分器。

用户可以控制数字积分的精度和步长。

用户可以指定30多个终止条件中的任何一个作为计算终止条件；轨道解算器是用M文件写的，可以看到全部的源代码，因此你可以修改解算器某一部分的内容，定制自己的应用包。

最终的结果可以使用非常精致的3D图形程序来显示。

SCT Spin Axis Attitude Determination Module --自旋卫星姿态确定模块SCT自旋卫星姿态确定模块在SCT基本工具箱基础上提供了一整套工具，利用地平仪和太阳敏感器的数据确定自旋轴的姿态。

主要功能和特点•差分校正，共轭梯度和 Nelder-Meade 姿态确定算法•迭代卡尔曼滤波用于实时应用•圆锥截取，弦宽/两平面角的姿态确定方法•对病态数据施行奇异值分解的最小二乘法处理•数据品质评估工具•地平仪动态模型•图形化的界面，无需编程。

自旋轴姿态确定模块广泛使用了MATLAB的图形功能，使分析数据变得非常容易。

通过数据的曲线图你可以迅速评估测量数据的好坏，选择有效数据。

各种算法也提供误差和残差统计等数据。

自旋轴姿态确定模块能处理各种数据的组合。

它既能接受地平仪的信号输入作为上升沿或者下降沿的时间，也可以作为两平面角的角度。

上升扫描，下降扫描或者中位扫描的两面角角度数据处理起来同样方便。

甚至没有某些两面角或弦宽的情况下也能处理数据。

这个特点在最近一次的任务中起了作用。

当瞬时电脉冲干扰使上升沿时间，进而使弦宽数据无效时，仅仅通过太阳角和下降沿两面角数据还可以继续确定姿态。

PSS公司在三种不同类型的卫星上使用了这个软件包，取得了非常好的结果。

在最近一次的飞行中，通过这个软件包计算出的远地点点火姿态和公布的数据相差在1/20度内。

Autonomous GN&C Module --自主导航控制SCT自主导航控制模块源自美国空军研究试验室（Air Force Research Laboratory ）的一个项目。

这个项目研制一种自主卫星，通过自主控制增加有效的任务寿命。

这个模块包含了一个集成导航控制系统的设计及其仿真。

其软件的实时版本正在开发中，将于2003年3月发布，并计划2004年在美国空军的TechSat-21上进行飞行试验。

这个模块提供了一个名为Artemis卫星的GNC系统的完整设计，这个系统有以下的特点：•利用反作用轮或肼单组元推力器进行三轴控制。

•用推力器同时对姿态和轨道进行控制•通过GPS和地面测距修正进行轨道确定•陀螺仪-恒星定姿系统进行姿态确定•综合利用雷达和相机相进行目标相对导航•太阳翼自动跟踪太阳，•自主轨道机动•自主目标卫星轨道跟踪•可在10分钟内100米距离处环绕目标航天器一周Artemis 的设计可满足很多用户对自主轨道机动和交会的要求。