CN102700728B - 一种卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法及其应用，通过研究卫星轨道太阳光照角年平均变化规律和卫星在轨期间太阳仰角随纬度变化情况，结合卫星构型特点，确定卫星太阳电池阵被星体遮挡与否，计算遮挡面积大小，并得到遮挡面积在一轨和一年内的变化趋势，根据该结果解决卫星在轨运行时因太阳电池阵被遮挡而造成的充电阵电流异常问题，还解决了卫星太阳电池片布片方式的优化设计问题。本发明对于卫星等采用太阳电池阵作为主要能源供给的航天器提高构型设计的合理性，提升太阳电池片的利用效率有良好效果。本发明的应用取得降低航天器电池片成本、提高航天器有效供电能力、提高航天器性能等有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及航天器总体设计技术，具体为一种卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法及其应用。
背景技术
对卫星等采用太阳电池阵作为主要能源供给的航天器而言，太阳电池阵是其重要的组成部件，是航天器机动变轨、单机正常工作等所需能量的唯一来源。太阳电池阵可以将太阳光能转化成电能，保证了航天器的日常运作。影响供能的因素主要有太阳电池片光电转换效率、太阳光照角、太阳电池阵有效光照面积等。
某卫星入轨后发现+Y翼太阳电池阵充电阵电流明显小于设计值，-Y翼太阳电池阵充电阵电流正常，通过故障树分析并观察电源分系统其它遥测参数，判断是+Y翼太阳电池阵部分被星体遮挡，即减小了+Y翼太阳电池阵的有效光照面积。
本发明应用之前，关于航天器在轨运行时太阳电池阵被星体遮挡的确定尚无理论研究。因此，必须提出一种太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法，用于定性和定量确定太阳电池阵被遮挡的情况，以满足航天器总体设计的需求。
发明内容
为了研究卫星在轨运行时太阳电池阵被星体遮挡的情况，本发明提供一种卫星在轨运行时太阳电池阵被星体遮挡的确定方法，解决卫星在轨运行时因太阳电池阵被遮挡而造成的充电阵电流异常等问题。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法，其特征在于：
通过研究卫星轨道太阳光照角年平均变化规律和卫星在轨期间太阳仰角随纬度变化情况，结合卫星构型特点，确定卫星太阳电池阵（1）被星体（2）遮挡与否，计算遮挡面积大小，并确定遮挡面积在一轨和一年内的变化趋势，根据该结果解决卫星在轨运行时因太阳电池阵被遮挡而造成的充电阵电流异常问题。
对于卫星运行一轨的周期内，认为轨道光照角近似不变，在假设太阳电池阵严格对日定向的基础上，分两种情形进行：
情形一：卫星飞越地球两极时，太阳电池阵面与星体对地面垂直，星体在电池阵上的投影为星体外形的一次投影。
情形二：卫星在升轨或降轨段光照区飞行时，太阳从斜下方或斜上方照射卫星，星体在太阳电池阵上的投影随时间变化且不规则。对此解决方法是将星体中可能遮挡到太阳电池阵的部分根据轨道光照角和太阳仰角进行二次投影，得到太阳电池阵上实际被遮挡部分的形状。
根据一轨内卫星太阳仰角的变化情况，仿照情形一和情形二太阳电池阵遮挡的研究，给出卫星在一轨中太阳电池阵被遮挡的情形。
对于卫星运行一年的周期内，仿照所述的卫星一轨内太阳电池阵被遮挡形状的确定方法，根据一年内轨道光照角的变化，得到卫星太阳电池阵被星体遮挡的最大面积在一年内的变化情况。
本发明提供一种上述方法的应用，即用于指导工程设计，在不改变原有太阳电池阵结构的基础上，提出优化电池片布片方式来减少被遮挡带来的影响的方案。
所述优化电池片布片方式，即：根据太阳电池阵在轨被遮挡的确定结果，在不改变原有太阳电池阵结构的基础上，将卫星太阳电池阵的电池片布片方向由沿着星体Y方向串接，调整为与Y方向垂直的方向，以减少遮挡带来的影响。
所述优化电池片布片方式进一步包含：将卫星太阳电池阵的电池片由单结砷化镓变为三结砷化镓，提高转换效率。
所述优化电池片布片方式还包含：卫星太阳电池阵的在常遮挡区域不贴片或布假片。
本发明带来以下有益效果：
本发明提供的一种卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法，对卫星一轨中的所有可能进行了研究，并且结合一年内轨道光照角变化，得到太阳电池阵被遮挡最大面积随时间的变化规律。通过科学的计算和可信的仿真，方法的结果与卫星在轨的实际情况相符,合理而准确地解释了充电阵电流异常问题，还解决了卫星太阳电池片布片方式的优化设计问题。因此，本发明对于卫星等采用太阳电池阵作为主要能源供给的航天器提高构型设计的合理性，提升太阳电池片的利用效率有良好效果，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明太阳电池阵与星体的结构示意图。
图2为本发明卫星的有效载荷舱和卫星服务舱的结构示意图。
图3为一年内轨道光照角变化曲线。
图4为卫星太阳仰角随纬度变化曲线。
图5为卫星穿越北极时的状态示意图。
图6为卫星穿越北极时太阳电池阵被遮挡关系示意图。
图7为卫星穿越南极时太阳电池阵被遮挡关系示意图。
图8为卫星在轨太阳仰角示意图。
图9为卫星刚进光照区时的飞行状态示意图。
图10为卫星快进阴影区时的飞行状态示意图。
图11为太阳矢量与星体的投影关系示意图。
图12为太阳矢量与+Y方向太阳电池阵的投影关系示意图。
图13为+Y方向太阳电池阵被遮挡示意图。
图14为+Y方向太阳电池阵一轨内被遮挡变化趋势图。
图15为+Y方向太阳电池阵一年内最大被遮挡面积随时间变化曲线。
图16为太阳电池片改进前后的布片方式示意图。
图1和2中标记分别为：1.太阳电池阵、2.星体、3.卫星服务舱、4.卫星有效载荷舱。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明结合某卫星进行分析。卫星为太阳同步轨道卫星，采用三轴稳定对地的姿态控制方式。卫星轨道光照角年均变化如图3所示，卫星在轨期间太阳仰角随纬度变化情况如图4所示。
卫星太阳电池阵为双翼构形，每翼3块，每块面积大小1.7m×1.4m（其中1.4m为展开方向）。发射时两翼太阳电池阵分别通过4个压紧点收拢在星体的±Y侧面，卫星入轨后展开，通过连接架实现15°的偏置，并通过对日定向驱动机构实现对日定向跟踪，如图1所示。卫星向阳面为-Y面，因此-Y翼电池阵不受星体遮挡，+Y翼电池阵被星体遮挡与否、遮挡面积大小与星体相对太阳电池阵的运动角度相关且不规则。
本发明假设太阳电池阵严格对日定向（即电池阵与太阳矢量方位关系确定），分两个特殊情形进行：
情形一：卫星刚出北极上空向南飞行时（见图5）。
此时太阳电池阵面与星体对地面垂直，根据卫星的构型特征，星体在电池阵上的投影为矩形。卫星初始入轨时为冬季，轨道光照角约为37.5°，遮挡关系如图6所示。从图6可以看出，情形一条件下，+Y翼内板被遮去约325mm×（1700-235）mm=0.476m2的长条形的电池阵（其中，235mm是太阳电池阵超出星体侧板的高度）。
卫星刚出南极上空向北飞行时，由于太阳电池阵驱动机构在X方向中心安装，所以该情形的遮挡关系与上述情形相同（见图7）。
情形二：卫星在降轨段光照区飞行时，太阳从斜下方或斜上方照射卫星，此时相机及有效载荷舱对太阳电池阵有遮挡。由于卫星本体Z向尺寸大于X、Y向尺寸，此时遮挡情况较情形一恶劣。卫星刚进光照区或快进阴影区时，遮挡最大，太阳仰角约在-32°（见图8、图9、图10）。
此时星体在太阳电池阵上的投影为不规则图形，需要将星体可能遮挡到太阳电池阵的部分根据轨道光照角和太阳仰角进行二次投影，得到太阳电池阵上实际遮挡部分形状。首先将太阳矢量在XOZ面投影，根据卫星的太阳仰角为-32°，得到遮挡太阳电池阵的星体的最大长度，然后将太阳矢量投影到帆板面，根据轨道光照角37.5°，计算星体对帆板的最大遮挡长度及遮挡面积（见图11、图12、图13）。
图13阴影部分为实际+Y帆板被遮挡的部分。经计算得，此时被遮挡的电池阵面积约为0.84m2。
卫星飞行一轨的周期内，随着卫星太阳仰角的变化，仿照情形一和情形二帆板遮挡的分析，进一步研究了卫星在一轨的帆板遮挡情况，共计11种状态。卫星初始入轨时+Y帆板在一轨内光照期的遮挡变化趋势如图14所示。
卫星运行一年的周期内，在上述基础上，结合轨道光照角随季节变化的特性（如图3所示），一年内帆板最大遮挡面积会有所变化：春季时轨道光照角比冬季更大，遮挡情况会更恶劣；而6月初轨道光照角为最小，帆板遮挡面积为一年内最小。根据一年内轨道光照角的变化，用上述方法研究了一年内帆板最大遮挡面积的变化情况，如图15所示。
本发明的确定结果与卫星在轨数据相符，证明发明科学合理、实用可行。
本发明根据上述的结果，还对太阳电池片的布片方式提出了改进方案。某卫星太阳电池阵的电池片布片方向是沿着星体Y方向串接，只要在Y方向上有遮挡将会影响整串电池片输出功率。在不改变原有太阳电池阵结构的基础上，可将电池片布片方向调整为与Y方向垂直的方向以减少遮挡带来的影响，可将电池片由单结砷化镓变为三结砷化镓提高转换效率，并且在常遮挡区域不贴片或布假片（配重）减少成本，如图16所示。
综上所述，本发明用于定性和定量确定太阳电池阵被遮挡的情况，解决卫星在轨运行时因太阳电池阵被遮挡而造成的充电阵电流异常问题，还解决了卫星太阳电池片布片方式的优化设计问题。
本发明对于卫星等采用太阳电池阵作为主要能源供给的航天器提高构型设计的合理性，提升太阳电池片的利用效率有良好效果。本发明的应用取得降低航天器电池片成本、提高航天器有效供电能力、提高航天器性能等有益效果，满足航天器总体设计的需求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法，其特征在于：所述卫星为太阳同步轨道卫星，认为轨道光照角近似不变，在假设太阳电池阵严格对日定向的基础上，通过研究卫星轨道太阳光照角年平均变化规律和卫星在轨期间太阳仰角随纬度变化情况，结合卫星构型特点，确定卫星太阳电池阵(1)被星体(2)遮挡与否，计算遮挡面积大小，并得到遮挡面积在一轨和一年内的变化趋势，根据该结果解决卫星在轨运行时因太阳电池阵被遮挡而造成的充电阵电流异常问题。
2.根据权利要求1所述的卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法，其特征在于：对于卫星运行一轨的周期内，认为轨道光照角近似不变，在假设太阳电池阵(1)严格对日定向的基础上，分两种情形进行：
情形一是卫星飞越地球两极时；
情形二是卫星在升轨段或降轨段光照区飞行时；通过将星体(2)中可能遮挡到太阳电池阵(1)的部分根据轨道光照角和太阳仰角进行二次投影，分别得到太阳电池阵上实际被遮挡部分的形状；
然后根据一轨内卫星太阳仰角的变化情况，得到一轨中太阳电池阵被遮挡形状的变化情况。
3.根据权利要求2所述的卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法，其特征在于：对于卫星运行一年的周期内，根据一年内轨道光照角的变化，得到卫星太阳电池阵被星体遮挡的最大面积在一年内的变化情况。
4.一种权利要求1-3任一项所述卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法的应用，其特征在于：用于优化电池片布片方式，即：根据确定的太阳电池阵在轨被遮挡的结果，在不改变原有太阳电池阵结构的基础上，将卫星太阳电池阵的电池片布片方向由沿着星体Y方向串接，调整为与Y方向垂直的方向，以减少遮挡带来的影响。
5.根据权利要求4所述卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法的应用，其特征在于：所述优化电池片布片方式进一步包含：将卫星太阳电池阵的电池片由单结砷化镓变为三结砷化镓。
6.根据权利要求4或5所述卫星太阳电池阵在轨被遮挡的确定方法的应用，其特征在于：所述优化电池片布片方式，还包含：卫星太阳电池阵的在常遮挡区域不贴片或布假片。
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