CN103448922A - 静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，涉及航天技术领域，包括：步骤一、首先分析静止轨道卫星太阳光照角年平均变化规律；步骤二、分析卫星太阳电池阵在轨被星体遮挡的变化规律；步骤三、按照前述分析结果进行计算与仿真电池阵在轨被遮挡的面积。本发明提供的分析计算方法，为太阳电池阵基板构型设计提供了依据。

Description

静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法

技术领域

本发明涉及静止轨道遥感卫星，更具体的说，涉及一种静止轨道卫星在轨运行时太阳电池阵被星体遮挡的分析计算方法。

背景技术

大型静止轨道遥感卫星平台一般由服务舱和推进舱组成，载荷一般为大尺寸相机，安装在平台对地面。由于载荷遮光罩较长，而为满足运载包络，南北太阳电池阵的支撑架长度受到一定限制，这将导致卫星在轨飞行时，太阳电池阵会被星体遮挡，造成卫星整星功率的下降，为了减小对星体遮挡对整星的影响，需要对遮挡情况进行分析，为整星设计提供依据。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，根据分析结果仿真计算电池阵在轨被遮挡的面积，为整星设计提供依据。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，包括步骤如下：

步骤一、分析静止轨道卫星太阳光照角年平均变化规律；

步骤二、分析卫星太阳电池阵在轨被星体遮挡的变化规律；

步骤三、按照前述分析结果进行计算与仿真电池阵在轨被遮挡的面积。

所述步骤二中，将太阳电池阵在轨被星体遮挡的变化规律分为四个阶段进行分析，具体方法如下：

以卫星恰好在地球的背面位置作为卫星初始位置，此时卫星到地球的矢量与太阳在赤道面的投影矢量相同，设电池阵严格对日定向，此时的电池阵法向应与卫星对地轴一致；

第一阶段：电池阵转动角度0～90°；

第二阶段：电池阵转动角度90～180°；

第三阶段：电池阵转动角度180°～270°；

第四阶段：电池阵转动角度270°～360°；

上述第三阶段和第四阶段分别与第一阶段和第二阶段完全镜像，遮挡面积大小相等。

所述步骤三中，计算与仿真电池阵在轨被遮挡的面积的具体方法如下：

设：电池阵驱动轴中心至星体+X向投影的距离为L1，电池阵驱动轴中心至星体+Z面的距离为L2，电池阵驱动轴中心至-Z面的距离为L3，太阳矢量在星体的投影垂直于电池阵一端A的长度为R_a，垂直于另一端B的长度为R_b，电池阵在星体的投影AB的长度为2L_s，星体Z方向靠近X向的一角C到电池阵在星体的投影AB的距离为L₀，电池阵连接架在展开方向的高度为H，太阳矢量与轨道面的夹角为α，以θ₁～θ₄为计算辅助角，分别表示太阳矢量在星体的投影扫过星体边缘处时的电池阵转角；

第一阶段：电池阵转角θ∈[0,θ₁]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_2+L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_2-L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(2\right)$

第二阶段：电池阵转角θ∈[θ₁,θ₂]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1-L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_2-L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\[{2L}_s\×L_0-\frac{{2L}_s\×\left((L_o-R_a\right)+\left(L_o-R_b)\right)}{2}\]\×\tan \mathrm{\α}-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(4\right)$

第三阶段：电池阵转角θ∈[θ₂,90°]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1-L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_1+L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(6\right)$

第四阶段：电池阵转角θ∈[90°,0₃]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a\text{=}\frac{L_1+L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\\ R_b=\frac{L_1-L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\end{array}\right.---\left(7\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(8\right)$

第五阶段：电池阵转角θ∈[θ₃,θ₄]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a\text{=}\frac{L_3-L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\\ R_b=\frac{L_1-L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\end{array}\right.---\left(9\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\[{2L}_s\×L_0-\frac{{2L}_s\×((L_0-R_a)+(L_0-R_b))}{2}\]\×\tan \mathrm{\α}-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(10\right)$

第六阶段：电池阵转角θ∈[θ₄,180°]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a\text{=}\frac{L_3-L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\\ R_b=\frac{L_3+L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\end{array}\right.---\left(11\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(12\right).$

所述辅助角θ₁～θ₄的计算方法如下：

在matlab中按照以下代码分别计算；

M1=sqrt(L1^2+L2^2);

M2=sqrt(L1^2+L3^2);

gama_1=asin(Ls/M1);

gama_2=asin(L2/M1);

theta_1=pi/2-(gama_1+gama_2);%θ₁

gama_3=asin(L1/M1);

theta_2=gama_1+gama_3;%θ₂

gama_4=asin(Ls/M2);

gama_5=asin(L1/M2);

theta_3=pi/2-(gama_4+gama_5)+pi/2;%θ₃

gama_6=asin(L3/M2);

theta_4=gama_4+gama_6+pi/2;%θ₄。

卫星在轨运行时由于太阳与卫星空间几何关系的变化，太阳电池阵会受到星体的遮挡而使输出功率降低，为了满足载荷的功耗需求，需要对电池阵被遮挡的情况进行分析，通过本发明所提供的分析计算方法，为太阳电池阵基板构型设计提供了依据。

附图说明

图1是静止轨道卫星电池阵被星体遮挡示意图；

图2是静止轨道卫星全年光照特点；

图3是静止轨道卫星全年阴影时间变化；

图4是太阳电池阵初始位置示意图；

图5是太阳电池阵从0°转到90°过程中太阳矢量与星体的位置关系；

图6是太阳电池阵从0°转到90°过程中电池阵投影与星体的位置关系；

图7是太阳电池阵从90°转到180°过程中太阳矢量与星体的位置关系；

图8是太阳电池阵从90°转到180°过程中电池阵投影与星体的位置关系；

图9是夏至和冬至时电池阵被遮挡面积随转角变化示意图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步详细的说明。

图1是静止轨道卫星电池阵被星体遮挡示意图，图中，卫星本体1，太阳电池阵2，太阳3，地球4，图中箭头表示太阳矢量方向。

本发明所提供的静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，包括步骤如下：

步骤一、分析静止轨道卫星太阳光照角年平均变化规律；

步骤二、分析卫星太阳电池阵在轨被星体遮挡的变化规律；

步骤三、按照前述分析结果进行计算与仿真电池阵在轨被遮挡的面积。

步骤一至步骤三的具体实施方法如下：

1、静止轨道卫星太阳光照角年平均变化规律分析

静止轨道卫星是倾角约为0°，半长轴约为42164km的飞行在赤道上空的近圆轨道，具有与地球同步运动的特性。太阳一年两次穿越轨道面，在夏冬两季，卫星全部处于光照；在春秋两季，卫星每天会进入地球本影区，见图2所示。春秋分时，即太阳直射赤道面时，地影时间最长，约为70min，见图3所示。

2、分四个阶段分析太阳电池阵被星体遮挡的变化规律

设卫星初始位置恰好在地球的背面，此时卫星到地球的矢量与太阳在赤道面的投影矢量相同。设电池阵严格对日定向，此时的电池阵法向应与卫星对地轴（+Z）一致，见图4所示。其中L1表示电池阵驱动轴中心至星体+X向投影的距离，L2表示电池阵驱动轴中心至星体+Z面的距离，L3表示电池阵驱动轴中心至-Z面的距离；

第一阶段：电池阵转动角度0～90°

随着卫星运动，太阳矢量在星体的投影由+Z向+X向移动，电池阵也随之沿着+Y向驱动，按图5所示依次转过90°。太阳电池阵在星体投影的运动见图6所示。

第二阶段：电池阵转动角度90～180°

电池阵转过90°后，此时太阳矢量在轨道面的投影与卫星+X平行，随着卫星继续运动，电池阵将从90°转到180°，同时太阳矢量在星体的投影从+X向-Z向移动，见图7所示。此时，太阳电池阵在星体投影的运动见图7所示。

第三阶段与第四阶段分别是太阳电池阵从180°转到270°和从270°转到360°两个过程，情形是第一、二阶段的完全镜像，遮挡面积大小相等，在此不做赘述。

3计算并仿真

记太阳矢量在星体的投影垂直于电池阵A端的长度为R_a，垂直于B端的长度为R_b，记电池阵在星体的投影AB的长度为2L_s，记星体Z方向靠近X向的一角C到电池阵在星体的投影AB的距离为L₀，H为电池阵连接架在展开方向的高度，记太阳矢量与轨道面的夹角为α。θ₁～θ₄为计算辅助角，分别表示太阳矢量在星体的投影扫过星体边缘处时的电池阵转角；

第一阶段：电池阵转角θ∈[0,θ₁]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_2+L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_2-L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(2\right)$

第二阶段：电池阵转角θ∈[θ₁,θ₂]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1-L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_2-L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\[{2L}_s\×L_0-\frac{{2L}_s\×\left((L_0-R_a\right)+(L_0-R_b))}{2}\]\×\tan \mathrm{\α}-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(4\right)$

第三阶段：电池阵转角θ∈[θ₂,90°]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1-L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_1+L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(6\right)$

第四阶段：电池阵转角θ∈[90°,θ₃]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1+L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\\ R_b=\frac{L_1-L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\end{array}\right.---\left(7\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(8\right)$

第五阶段：电池阵转角θ∈[θ₃,θ₄]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_3-L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\\ R_b=\frac{L_1-L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\end{array}\right.---\left(9\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\[{2L}_s\×L_0-\frac{{2L}_s\×((L_0-R_a)+(L_0-R_b))}{2}\]\×\tan \mathrm{\α}-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(10\right)$

第六阶段：电池阵转角θ∈[θ₄,180°]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_3-L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\\ R_b=\frac{L_3+L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\end{array}\right.---\left(11\right)$

电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left({2L}_S\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(12\right)$

卫星运动一圈，太阳电池阵跟随太阳矢量在星体的投影也旋转一圈，太阳矢量在星体的投影长度越长，被遮挡的面积也就越大。

考虑电池阵被遮挡的最恶劣情形，即夏至和冬至时，此时α角约为23.5°，代入具体数值经过仿真，某大型卫星的电池阵被遮挡的面积随角度变化见图9所示。

由图9可知，对于某卫星，当电池阵转过一定角度（约26°）时就避开了卫星构型对其遮挡的影响，经计算，全年遮挡最严重时，每轨平均有14.5%的时间电池阵被星体遮挡，遮挡的最大面积约为5.8m²。

在matlab中按照以下代码分别计算出θ₁～θ₄角；

M1=sqrt(L1^2+L2^2);

M2=sqrt(L1^2+L3^2);

gama_1=asin(Ls/M1);

gama_2=asin(L2/M1);

theta_1=pi/2-(gama_1+gama_2);%θ₁

gama_3=asin(L1/M1);

theta_2=gama_1+gama_3;%θ₂

gama_4=asin(Ls/M2);

gama_5=asin(L1/M2);

theta_3=pi/2-(gama_4+gama_5)+pi/2;%θ₃

gama_6=asin(L3/M2);

theta_4=gama_4+gama_6+pi/2;%θ₄。

Claims (4)

1.一种静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、首先分析静止轨道卫星太阳光照角年平均变化规律；

步骤二、分析卫星太阳电池阵在轨被星体遮挡的变化规律；

步骤三、按照前述分析结果进行计算与仿真电池阵在轨被遮挡的面积。

2.根据权利要求1所述的静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，其特征在于，所述步骤二中，将太阳电池阵在轨被星体遮挡的变化规律分为四个阶段进行分析，具体方法如下：

以卫星恰好在地球的背面位置作为卫星初始位置，此时卫星到地球的矢量与太阳在赤道面的投影矢量相同，设电池阵严格对日定向，此时的电池阵法向应与卫星对地轴一致；

第一阶段：电池阵转动角度0～90°；

第二阶段：电池阵转动角度90～180°；

第三阶段：电池阵转动角度180°～270°；

第四阶段：电池阵转动角度270°～360°；

上述第三阶段和第四阶段分别与第一阶段和第二阶段完全镜像，遮挡面积大小相等。

3.根据权利要求1所述的静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，其特征在于，所述步骤三中，计算与仿真电池阵在轨被遮挡的面积的具体方法如下：

设：电池阵驱动轴中心至星体+X向投影的距离为L1，电池阵驱动轴中心至星体+Z面的距离为L2，电池阵驱动轴中心至-Z面的距离为L3，太阳矢量在星体的投影垂直于电池阵一端A的长度为R_a，垂直于另一端B的长度为R_b，电池阵在星体的投影AB的长度为2L_s，星体Z方向靠近X向的一角C到电池阵

在星体的投影AB的距离为L₀，电池阵连接架在展开方向的高度为H，太阳矢量与轨道面的夹角为α，以θ₁～θ₄为计算辅助角，分别表示太阳矢量在星体的投影扫过星体边缘处时的电池阵转角；

第一阶段：电池阵转角θ∈[0,θ₁]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_2+L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_2-L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$ 电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left(2L_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(2\right)$

第二阶段：电池阵转角θ∈[θ₁,θ₂]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1-L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_2-L_s\×\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$ 电池阵被遮挡的面积为： $S=[2L_s\×L_0-\frac{2L_s\×((L_0-R_a)+(L_0-R_b))}{2}]\×\tan \mathrm{\α}-2\×\mathrm{Ls}\×H$ （4）

第三阶段：电池阵转角θ∈[θ₂,90°]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1-L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ R_b=\frac{L_1+L_s\×\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(5\right)$ 电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left(2L_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(6\right)$

第四阶段：电池阵转角θ∈[90°,θ₃]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_1+L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\\ R_b=\frac{L_1-L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\end{array}\right.---\left(7\right)$ 电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left(2L_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(8\right)$

第五阶段：电池阵转角θ∈[θ₃,θ₄]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_3-L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\\ R_b=\frac{L_1-L_s\×\sin (\mathrm{\θ}-90)}{\cos (\mathrm{\θ}-90)}\end{array}\right.---\left(9\right)$ 电池阵被遮挡的面积为： $S=[2L_s\×L_0-\frac{2L_s\×((L_0-R_a)+(L_0-R_b))}{2}]\×\tan \mathrm{\α}-2\×\mathrm{Ls}\×H$ （10）

第六阶段：电池阵转角θ∈[θ₄,180°]

此时， $\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{L_3-L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\\ R_b=\frac{L_3+L_s\×\sin (180-\mathrm{\θ})}{\cos (180-\mathrm{\θ})}\end{array}\right.---\left(11\right)$ 电池阵被遮挡的面积为： $S=\frac{1}{2}\×(R_a+R_b)\×\tan \mathrm{\α}\×\left(2L_s\right)-2\×\mathrm{Ls}\×H---\left(12\right).$

4.根据权利要求3所述的静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法，其特征在于，所述辅助角θ₁～θ₄的计算方法如下：

在matlab中按照以下代码分别计算；

M1=sqrt(L1^2+L2^2);

M2=sqrt(L1^2+L3^2);

gama_1=asin(Ls/M1);

gama_2=asin(L2/M1);

theta_1=pi/2-(gama_1+gama_2);%θ₁

gama_3=asin(L1/M1);

theta_2=gama_1+gama_3;%θ₂

gama_4=asin(Ls/M2);

gama_5=asin(L1/M2);

theta_3=pi/2-(gama_4+gama_5)+pi/2;%θ₃

gama_6=asin(L3/M2);

theta_4=gama_4+gama_6+pi/2;%θ₄。

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