CN101182991A - 一种太阳矢量测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳矢量测量方法及其装置，本发明采用若干个具有不同方向的平面组成一个立体结构、并在每个平面上安装太阳电池片，通过测量在不同平面内接收的太阳能功率，以及根据太阳能功率的测量值和各平面之间的相对几何关系，可以计算出太阳矢量的幅值和空间角，从而实现了太阳光线矢量的测量。

Description

一种太阳矢量测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体地涉及一种太阳矢量测量方法及其装置。

背景技术

在航天器姿态控制过程中，主要使用太阳敏感器、星敏感器、磁强计及陀螺等部件，其中太阳敏感器是航天器对日控制、太阳翼对日控制中使用的关键部件，对于保障航天器能源供应及可靠运行具有重要作用。

太阳敏感器主要是用于测量太阳光线，在目前使用的太阳敏感器中，主要有0-1太阳敏感器、数字太阳敏感器及小孔成像太阳敏感器等。0-1太阳敏感器只给出几个大方向是否见太阳的测量信息，基本没有角度测量精度要求；数字太阳敏感器通过窄缝光线照射在不同的码道来测量太阳方向，角度测量范围一般在±64°之间，测量精度在0.03°左右；小孔成像太阳敏感器则通过测量小孔成像图形来测量太阳方向，角度范围及测量精度与数字太阳敏感器类似。总体来说，传统的太阳敏感器测量的太阳光线的精度都比较低，这种精度仅能用于对日捕获及姿态控制精度要求不高的控制过程，对于高精度的姿态控制，还需要星敏感器及高精度陀螺等其它设备协同完成测量太阳矢量，虽然星敏感器实施的太阳矢量测量的精度比较高，精度可以达到2-3角秒，但是星敏感器的结构比较复杂，所需要的成本比较高，设计好的星敏感器也至少也得1-2公斤，这大大增加了星载设备的复杂度。目前还没有这样一种结构简单，成本低廉却能达到同样技术效果的太阳矢量测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉、设计结构简单、测量精度高并且测量范围宽的太阳矢量测量的装置。本发明的另一发明目的是提供一种简单的太阳矢量测量方法。

为了实现本发明目的，本发明技术方案为：

一种太阳矢量测量方法，包括以下步骤：

S1：设在空间放置N个方向不同平板拼接在一起的立体结构，在这M个平板平面上设置有太阳能电池片，其中3≤M≤N，每个太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上；

S2：测量出每个平板平面的法向矢量为 ${\stackrel{\→}{n}}_i=(m_{i1},m_{i2},m_{i3}),$ 其中各个平面的法向矢量由平板的结构构型决定，其中i＝1，...，M；

S3：测量M个电阻上的电压；

S4：根据M个电阻上的电压计算出每个平面上的太阳电池片的输出功率(P_w1，P_w2，...，P_wM)；

S5：设太阳矢量 $\stackrel{\→}{S}=S_0(\cos \mathrm{\α},\cos \mathrm{\β},\cos \mathrm{\γ}),$ 利用各太阳能电池片的接收功率值与各平面间的几何构形关系 $P_{\mathrm{wi}}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_i=S_0(m_{i1}\cos \mathrm{\α}+m_{i2}\cos \mathrm{\β}+m_{i3}\cos \mathrm{\γ}),$ 以及利用太阳矢量空间角的余弦平方和为1的条件，计算得到太阳光线矢量的幅值S₀和各方向角余弦(cosα，cosβ，cosγ)，从而得出该立体结构的太阳矢量 $\stackrel{\→}{S}=S_0(\cos \mathrm{\α},\cos \mathrm{\β},\cos \mathrm{\γ}).$

所述步骤S1中的N个平面为3个或4个平面。

所述步骤S1中的M个平面为3个或4个平面。

该装置包括由N个平板拼接成的立体结构，以及安装在平板上的M个太阳能电池片，其中所述的太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上，其中3≤M≤N。

所述N个平板是3个或4个。

所述M个平板是3个或4个。

所述的平板拼接结构是对称结构。

有益效果：

本发明太阳矢量测量仪精度高可以达到1.2角秒，成本低(结构简单，器件少，对器件要求不高)，重量轻(＜100g--现设计为5cm×5cm×3cm＝75cm³，即便按纯铝实心立体的一半来算75×2.7/2＝101g，而实际重量会小于此值)。

附图说明

图1为本发明在取平面个数M＝3时的太阳矢量测量仪的几何结构；

图2为本发明在取平面个数M＝4时的太阳矢量测量仪的立体结构。

图中：X：三维坐标轴中的X轴，Y：三维坐标轴中的Y轴，Z：三维坐标轴中的Z轴，

太阳矢量，α：太阳矢量与X轴的夹角，β：太阳矢量与Y轴的夹角，γ：太阳矢量与Z轴的夹角，

为平面ACO的法向矢量，

为平面BCO的法向矢量，

为平面ABC的法向矢量，法向矢量。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的目的是这样实现的：将若干块法向矢量不同的平面拼接在一起，并在每个平面上安装一块太阳能电池片，由于安装在不同平面上的太阳能电池片接收太阳能量的不同，利用各太阳能电池片的接收功率值与各平面间的几何构形关系可以计算得到太阳光线矢量的幅值和方位角，从而实现对太阳方向的测量。这种设计方法实际是利用太阳光线矢量与接收太阳能量的太阳能电池片之间的光能关系实现的太阳光线矢量测量。

设在空间中放置N(N≥3，N为整数)个方向不同的平面，可以在每个平面上贴上太阳能电池片，也可以在一部分平面上贴上电池片，只要满足贴电池片的平面是三个以上即可。这里假设在M个平面上贴上电池片，3≤M≤N，每个平面的法向矢量 ${\stackrel{\→}{n}}_i=(m_{i1},m_{i2},m_{i3}),$ (其中m_i1，m_i2，m_i3分别为矢量

在空间坐标系OXYZ下的坐标值，如图1、2所示，为保证计算基准相同，取 ${\stackrel{\→}{n}}_i(i=\mathrm{1,2},...,M)$ 的模值相同)其中i＝1，…，M，同时设太阳矢量 $\stackrel{\→}{S}=S_0(\cos \mathrm{\α},\cos \mathrm{\β},\cos \mathrm{\γ}),$ (其中S₀为太阳矢量的幅值，cosα，cosβ，cosγ为太阳矢量的空间角)，M个平面上的太阳能电池片接收到的太阳能功率为(P_w1，P_w2，...，P_wM)，则有：

$P_{\mathrm{wi}}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_i=S_0(m_{i1}\cos \mathrm{\α}+m_{i2}\cos \mathrm{\β}+m_{i3}\cos \mathrm{\γ})---\left(1\right)$

这里(P_w1，P_w2，...，P_wM)由包括太阳能电池片的光电转换电路测量得到，M_ij(i＝1，...，M；j＝1，...，3)由平面几何结构决定，故式(1)中仅有S₀和α，β，γ为未知量。根据cos²α+cos²β+cos²γ＝1，从式(1)中可求出S₀和空间角α，β，γ，即获得了太阳矢量

下面根据附图给出三个平面和四个平面拼接成太阳矢量装置对太阳矢量计算的具体描述。

如图1，设在空间中放置3个方向不同的平面，每个平面的法向矢量 ${\stackrel{\→}{m}}_i=(m_{i1},m_{i2},m_{i3}),$ 其中i＝1，2，3，同时设太阳矢量 $\stackrel{\→}{S}=S_0(\cos \mathrm{\α},\cos \mathrm{\β},\cos \mathrm{\γ}),$ 每个平面上的太阳能电池片接收到的太阳能功率为P_w1，P_w2，P_w3)，则有：

$P_{\mathrm{wi}}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_i=S_0(m_{i1}\cos \mathrm{\α}+m_{i2}\cos \mathrm{\β}+m_{i3}\cos \mathrm{\γ})---\left(11\right)$

即

$\left[\begin{array}{c}{P}_{w1}\\ P_{w2}\\ P_{w3}\end{array}\right]=S_0\left[\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\\ \cos \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]$

(12)

设

$P_3=\left[\begin{array}{c}{P}_{w1}\\ P_{w2}\\ P_{w3}\end{array}\right],$ $M_3=\left[\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right],$ $\mathrm{\Ω}=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\\ \cos \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]$

(13)

则有

P₃＝S₀M₃Ω

(14)

设M₃ ^-1为M₃的逆矩阵，并设

$M_3^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}{m}_{11}^{-1}& m_{12}^{-1}& m_{13}^{-1}\\ m_{21}^{-1}& m_{22}^{-1}& m_{23}^{-1}\\ m_{31}^{-1}& m_{32}^{-1}& m_{33}^{-1}\end{array}\right]---\left(15\right)$

则有

$\mathrm{\Ω}=\frac{1}{S_0}{M}_3^{-1}{P}_3---\left(16\right)$

即

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}=\frac{1}{S_0}(m_{11}^{-1}{P}_{w1}+m_{12}^{-1}{P}_{w2}+m_{13}^{-1}{P}_{w3})\\ \cos \mathrm{\β}=\frac{1}{S_0}(m_{21}^{-1}{P}_{w1}+m_{22}^{-1}{P}_{w2}+m_{23}^{-1}{P}_{w3})\\ \cos \mathrm{\γ}=\frac{1}{S_0}(m_{31}^{-1}{P}_{w1}+m_{32}^{-1}{P}_{w2}+m_{33}^{-1}{P}_{w2})\end{array}\right.---\left(17\right)$

又有cos²α+cos²β+cos²γ＝1，可得

$\frac{1}{S_0^2}[{(m_{11}^{-1}{P}_{w1}+m_{12}^{-1}{P}_{w2}+m_{13}^{-1}{P}_{w3})}^2+{(m_{21}^{-1}{P}_{w1}+m_{22}^{-1}{P}_{w2}+m_{23}^{-1}{P}_{w3})}^2$

$+{(m_{31}^{-1}{P}_{w1}+m_{32}^{-1}{P}_{w2}+m_{33}^{-1}{P}_{w3})}^2]=1$ (18)

即

(19)

这里(P_w1，P_w2，P_w3)由包括太阳能电池片的光电转换电路测量得到，m_ij ^-1(i＝1，2，3；j＝1，2，3)由平面几何结构决定，故经计算可求出式(19)中S₀，代入式(17)中可求出方向角，从而获得了太阳矢量

太阳矢量既可以采用三个平面拼接的结构测量，也可以采用四个对称平面拼接测量获得，这时可以利用平面的对称性来简化计算。如图2所示，设标有矢量方向的四个对称平面的法向矢量分别为 $\stackrel{\→}{n_1}=(m_{11},0,m_{13}),$ $\stackrel{\→}{n_2}=(0,m_{22},m_{23}),$ $\stackrel{\→}{n_3}=(-m_{11},0,m_{13}),$ $\stackrel{\→}{n_4}=(0,{-m}_{22},m_{23}),$ 有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{w1}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_1=S_0(m_{11}\cos \mathrm{\α}+m_{13}\cos \mathrm{\γ})\\ P_{w2}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_2=S_0(m_{22}\cos \mathrm{\β}+m_{23}\cos \mathrm{\γ})\\ P_{w3}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_3=S_0({-m}_{11}\cos \mathrm{\α}+m_{13}\cos \mathrm{\γ})\\ P_{w4}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_4=S_0({-m}_{22}\cos \mathrm{\β}+m_{23}\cos \mathrm{\γ})\end{array}\right.---\left(21\right)$

利用上式的对称性可得出

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}=(P_{w1}-P_{w3})/\left(2S_0{m}_{11}\right)\\ \cos \mathrm{\β}=(P_{w2}-P_{w4})/\left(2S_0{m}_{22}\right)\\ \cos \mathrm{\γ}=(P_{w1}+P_{w3})/\left(2S_0{m}_{13}\right)\end{array}\right.---\left(22\right)$

由cos²α+cos²β+cos²γ＝1，可得

$S_0=\sqrt{{(P_{w2}-P_{w4})}^2/{\left(2m_{21}\right)}^2+{(P_{w1}-P_{w3})}^2/{\left(2m_{12}\right)}^2+{(P_{w1}+P_{w3})}^2/{\left(2m_{13}\right)}^2}---\left(23\right)$

实际上，太阳矢量的测量也可以由更多的平面拼接结构获得，这样可以通过统计的方法得到优化的测量结果，降低测量误差，基本算法的原理与三个平面和四个平面拼接的方法类似。

实现这样的测量方法的装置包括由N个平板拼接成的立体结构，以及安装在平板上的M个太阳能电池片，3≤M≤N，其中每个太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上。

这样的平板可以是铝合金等任何材质的，只要能够把太阳电池片贴上即可。

对于四个平面拼接结构，其实施流程可归纳如下所述的八个步骤，三个平面拼接结构或多个拼接平面的实现过程与其类似。

1)按图3所示的结构加工平面，在图中指示法向矢量的四个平面为有效利用平面；

2)在这四个平面上贴太阳电池片；

3)四个太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上；

4)测量四个电阻上的电压；

5)根据四个电阻上的电压、电压和功率之间的关系计算出太阳电池片的输出功率；

6)根据式(23)和(22)计算太阳矢量的模值S₀和方向余弦；

7)输出太阳矢量 $\stackrel{\→}{S}=S_0(\cos \mathrm{\α},\cos \mathrm{\β},\cos \mathrm{\γ}).$

本发明的太阳矢量测量装置，其测量范围是由太阳能电池片所能接收到的光线范围决定的，是由拼接的形状和平面坡度决定的，不同的拼接形状测量范围是不同的，但总体来说都能达到一个较好的视角范围，如果选用四个平面其坡度为1∶2，则测量范围为126度。

本发明太阳矢量测量仪精度高，测量精度仅受限于测量电压的A/D转换位数的精度，若选用18bit的A/D转换器，测量范围在90度时，则测量精度为90/218＝1.2角秒；且由于结构简单，所需器件少，对器件要求不高，而降低了成本，假如设计成5cm×5cm×3cm＝75cm³，选用纯铝实心立体，按其一半来算75×2.7/2＝101g，而实际重量会小于此值。

Claims (7)

1.一种太阳矢量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设在空间放置N个方向不同平板平面拼接在一起的立体结构，该立体结构取M个平板平面在其上设置有太阳能电池片，其中3≤M≤N，每个太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上；

S2：测量出每个平板平面的法向矢量为 ${\stackrel{\→}{n}}_i=(m_{i1},m_{i2},m_{i3}),$ 其中各个平面的法向矢量由平板的结构构型决定，其中i＝3，...，M；

S3：测量M个电阻上的电压；

S4：根据M个电阻上的电压计算出M个平面上的太阳电池片的输出功率(P_w1，P_w2，...，P_wM)；

S5：设太阳矢量 $\stackrel{\→}{S}=S_0(\cos \mathrm{\α},\cos \mathrm{\β},\cos \mathrm{\γ}),$ 利用各太阳能电池片的接收功率值与各平面间的几何构形关系 $P_{\mathrm{wi}}=\stackrel{\→}{S}\·{\stackrel{\→}{n}}_i=S_0(m_{i1}\cos \mathrm{\α}+m_{i2}\cos \mathrm{\β}+m_{i3}\cos \mathrm{\γ}),$ 以及利用太阳矢量空间角的余弦平方和为1的条件，计算得到太阳光线矢量的幅值S₀和各方向角余弦(cosα，cosβ，cosγ)，从而得出该立体结构的太阳矢量 $\stackrel{\→}{S}=S_0(\cos \mathrm{\α},\cos \mathrm{\β},\cos \mathrm{\γ}).$

2.如权利要求1所述的太阳矢量测量方法，其特征在于，所述步骤S1中的N个平面为3个或4个平面。

3.如权利要求1或2所述的太阳矢量测量方法，其特征在于，所述步骤S1中的M个平面为3个或4个平面。

4.一种太阳矢量测量装置，其特征在于，该装置包括由N个平板拼接成的立体结构，以及安装在M个平板上的M个太阳能电池片，其中所述的太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上，其中3≤M≤N。

5.如权利要求4所述的太阳矢量测量装置，其特征在于，所述N个平板是3个或4个。

6.如权利要求4或5所述的太阳矢量测量装置，其特征在于，所述M个平板是3个或4个。

7.如权利要求4-6任一项所述的太阳矢量测量装置，其特征在于，所述的平板拼接结构是对称结构。

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