CN103591950A - 一种敏捷卫星的结构布局参数确定方法 - Google Patents

Abstract

一种敏捷卫星的结构布局参数确定方法，分为太阳帆板布局参数优化和星敏感器布局参数优化两部分。太阳帆板布局参数优化的优化目标设定为每轨太阳帆板能源产生值，优化目标的约束变量为轨道参数、姿态参数和太阳帆板的有效充电条件，可变参数为太阳帆板的安装角度。通过数学求解可以求得太阳帆板安装角度的最优值。星敏感器布局参数优化的优化目标设定为星敏感器可用时段，优化目标的约束变量为轨道参数和姿态参数，可变参数为星敏感器的安装角度。通过数学求解，迭代计算星敏感器的安装角度，可以获取每轨星敏感器可用时段的最优值。本发明方法可以在满足敏捷卫星工作模式和卫星任务应用模式的前提下，最大限度的提高敏捷卫星的应用效能。

Description

一种敏捷卫星的结构布局参数确定方法

技术领域

本发明属于卫星总体设计领域，涉及一种卫星结构布局参数的确定方法。

背景技术

敏捷小卫星平台的设计强调的是高功能密度比和高性能，因此，开展敏捷小卫星平台的优化设计方法研究，特别是总体参数优化设计研究，对提高敏捷小卫星平台的性能和功能密度比具有非常重要的意义。

敏捷小卫星平台总体优化设计主要是解决高质量和高效能应用这两大需求之间的矛盾问题。尤其是敏捷小卫星强调提高卫星的应用效能，需要针对卫星系统物质流、能源流和信息流进行系统级优化设计，包括面向敏捷机动和动力学需求的结构布局参数优化设计等。该优化设计由于涉及的因素和约束条件很多，存在一定难度。

传统敏捷小卫星平台结构布局设计方法主要存在以下问题：

（1）敏捷卫星为了保证姿态机动的动力学，需要安装固定太阳翼，保证整星的刚度要求。然而，传统的结构布局是按照阳照区的太阳光照角度对能源的获取量最大化的原则，通过经验选择一个安装角度，完成整星结构布局的设计，如果不进行优化设计，固定太阳翼的安装不利于能源的获取，达不到敏捷小卫星高功能密度比的设计要求。

（2）敏捷卫星由于敏捷姿态机动和能源最大化利用的工作模式设计，尤其是在敏捷机动成像过程中，传统的结构布局不能够保证星敏感器在卫星姿态机动过程中至少一个始终有效可用。而星敏感器是影响高质量敏捷成像的关键，因此，星敏感器的安装构型布局参数优化设计对于敏捷小卫星的敏捷成像应用非常关键。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术中固定太阳翼的安装参数不利于能源的获取以及星敏感器的布局参数无法保证卫星姿态机动过程中至少有一个可用的问题，提供了一种敏捷卫星的结构布局参数确定方法，可以完成敏捷小卫星的高功能密度比设计，解决敏捷卫星姿态机动与能源保证和高质量高效能成像的耦合矛盾问题。

本发明的技术解决方案是：一种敏捷卫星的结构布局参数确定方法，步骤如下：

（1）确定观测区域的地理位置；

（2）根据观测区域、观测时间、对观测区域的重访要求和重访周期，确定卫星的轨道参数；

（3）根据卫星轨道参数、观测区域，确定卫星上支撑观测的有效载荷，并确定各有效载荷的开机时间及所需的功率；

（4）将支撑观测的各单个有效载荷所需功率乘以对应的开机时间，得到各单个有效载荷所需的能源，各单个有效载荷所需能源相加，得到载荷能源需求量；

（5）根据观测区域、卫星轨道参数、卫星成像模式计算在每一个轨道周期内卫星可能的姿态机动角度值；

（6）设定太阳帆板的安装角度初值，在此基础上，确定每一个轨道周期内卫星所有可能的姿态机动角度值的持续时间以及每一个姿态机动角度值下太阳帆板与太阳光线的夹角，由此计算卫星在每一个姿态机动角度值下太阳帆板所能获取的能源量，将整轨所有可能的姿态角度值下对应的太阳帆板所能获取的能源量相加，得到在某一固定太阳帆板安装角度下卫星整轨的能源获取量；

（7）不断改变步骤（6）中太阳帆板的安装角度初值，直至寻找到卫星整轨的能源获取量大于载荷能源需求量且卫星整轨的能源获取量的绝对值最大时对应的太阳帆板的安装角度值，作为太阳帆板的最优安装角度值；

（8）设定星敏感器的安装角度初值，在此基础上，确定每一个轨道周期内卫星所有可能的姿态机动角度值所对应的星敏感器可用时间，由此得到在某一固定星敏感器安装角度下卫星整轨的星敏感器可用总时间；

（9）不断改变步骤（8）中星敏感器的安装角度初值，直至寻找到整轨的星敏感器可用总时间最大值对应的星敏感器的安装角度值，作为星敏感器的最优安装角度值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）通过太阳帆板结构参数优化设计可以在满足敏捷卫星工作模式和卫星任务应用模式的前提下，最大限度的提供能源产生量，有效的提高敏捷卫星的能源的高效率和整星高功能密度比；

（2）通过星敏感器结构参数优化设计，可以在满足敏捷卫星各工作模式和应用模式的前提下，保证在任何时刻会有一个星敏感器可用。星敏感器结构参数优化为敏捷卫星姿态机动成像模式的应用提供高质量高效能成像条件保障。

因此，敏捷卫星结构布局参数优化设计方法为敏捷卫星姿态机动的动力学要求、能源产生的高效率以及星敏感器对高质量和高效能成像的保证提供了设计技术支撑。

附图说明

图1为本发明敏捷卫星结构布局参数确定方法原理图；

图2为本发明敏捷卫星结构布局参数确定方法流程图。

具体实施方式

从敏捷卫星的能源保证和敏捷姿态机动的星敏感器结构布局设计上进行优化，是敏捷小卫星平台总体参数优化设计的重要组成部分，对敏捷卫星的结构布局参数进行优化设计是提高敏捷小卫星的高质量高效能成像应用的有效手段之一。

如图1所示，敏捷卫星的结构布局参数优化分为太阳帆板布局参数优化和星敏感器布局参数优化两部分。

太阳帆板布局参数优化的优化目标设定为每轨太阳帆板能源产生值，优化目标的约束变量为轨道参数、姿态参数和太阳帆板的有效充电条件，可变参数为太阳帆板的安装角度。目前，太阳帆板的有效充电条件为太阳帆板与太阳光线的夹角大于30°。通过敏捷卫星结构布局参数的数学求解，可以求得太阳帆板安装角度的最优值，从而获得每轨太阳帆板能源产生的最大值。

星敏感器布局参数优化的优化目标设定为星敏感器可用时段，优化目标的约束变量为轨道参数和姿态参数，可变参数为星敏感器的安装角度。通过敏捷卫星结构布局参数的数学求解，迭代计算星敏感器的安装角度，可以获取每轨星敏感器可用时段的最优值。

最后通过敏捷卫星结构布局参数的数学求解完成结构布局参数的寻优确定。

如图2所示，为本发明方法的流程图，主要步骤如下：

本发明敏捷卫星结构布局参数确定方法设计流程包括两条主线：1）太阳帆板安装角度确定包括两个方面，一方面计算载荷能源需求量，该计算主要根据观测区域和轨道参数完成支撑观测的有效载荷确定，然后根据支撑观测的有效载荷计算出载荷能源的需求量；另一方面计算能源获取量，其主要计算流程为观测区域确定、轨道参数确定、卫星姿态机动角度的确定和太阳帆板夹角确定，最后完成能源获取量的计算。太阳帆板安装角度是在能源获取量和载荷能源需求量的基础上进行计算的；2）星敏感器安装角度确定的计算流程为：观测区域确定、轨道参数确定、卫星姿态机动角度的确定，最后完成星敏感器安装角度计算。

（1）观测区域确定：首先确定观测区域的地理位置，将观测区域所在的矩形的四个角点用四个经纬度的二维点坐标来表示。如果存在多个观测区域，则每一个观测区域都需要用其对应的四个二维点坐标来描述；

（2）轨道参数确定：根据观测区域、成像的观测时间要求、对观测区域的重访要求和重访周期等多个参数，确定卫星的轨道参数。此处内容具体可参见闫志闯、张传定、杜兰、蒲亭汀、李婧于2013年在大地测量与地球动力学上发表的文献《基于面向对象的卫星轨道确定优化方法研究》；

（3）支撑观测的有效载荷确定：根据轨道参数、观测区域，确定支撑观测的有效载荷（例如相机、数传、姿控、电源、星务、测控等），然后确定有效载荷的所需功率和开机时间；

（4）载荷能源需求量确定：将支撑观测的有效载荷（例如相机、数传、姿控、电源、星务、测控等）的所需功率乘以开机时间，最后加和，得到载荷能源需求量；

（5）卫星姿态机动角度确定：根据观测区域、卫星有效载荷的幅宽设计成像工作模式，并根据轨道参数、卫星成像模式计算卫星的姿态机动角度值；

这里所述的工作模式包括点区域成像、条带成像、多条带拼接成像和同轨立体成像。

A）点区域成像：该工作模式是卫星按照成像指令要求，在卫星姿态机动可覆盖范围内对所需要的区域目标进行成像，成像条带长度可根据需要进行设置，点区域可以用四个点坐标描述。设计该模式的目的是：可提高卫星快速响应能力，应对各种突发事件和紧急任务需求。同时，也可为小区块成像用户需求提供服务。该模式的特点是快速性好，有效性高；

B）连续条带成像：该工作模式类似传统卫星成像模式，卫星按照成像指令要求，卫星以对地正视或侧摆方式进行连续成像，成像条带长度可根据需要进行设置，最长条带与卫星可成像工作时间相关。设计该模式的目的是：提高卫星连续成像能力，能为大尺寸成像用户需求提供服务。该模式的特点是成像面积大，轨道成像效率高；

C）多条带拼接成像：该工作模式是敏捷成像类型卫星特有的模式之一，卫星根据成像指令，对可成像范围内，指定长度的区域，利用俯仰和滚动方向姿态机动进行若干次准平行且图像间有一定搭接成像。该模式设计目的是满足大幅宽用户需求；

D）同轨立体成像：该工作模式也是敏捷成像类型卫星特有的模式之一，卫星根据成像指令，对可成像范围内，指定长度的区域，利用俯仰和滚动方向姿态机动从不同的角度进行2次或3次重复地面轨迹成像，形成立体像对。该模式设计目的是满足立体成像和测绘制图用户需求。

如何根据轨道参数、卫星成像模式计算卫星的姿态机动角度值，详细计算方法可参见专利申请号为CN200910093790.1，名称为“一种敏捷卫星姿态机动确定系统”的专利。

（6）太阳帆板与太阳光线夹角确定：根据卫星姿态机动的角度值计算太阳帆板与太阳光线的夹角值。首先按照卫星姿态没有机动的状态，先确定一个初始的太阳帆板安装角度值，可设为θ，在此情况下，针对每一个卫星机动姿态，计算得到该姿态下太阳帆板与太阳光线的夹角。据此，对应整轨的卫星一系列姿态机动角度值可以计算出整轨一系列连续姿态下对应的太阳光线与太阳帆板的夹角。同时，每个姿态（或者说每一个太阳光线与太阳帆板的夹角）还对应着一个时间值；

（7）能源获取量确定：能源获取量是集合整轨中一系列太阳光线与太阳帆板的夹角乘以该夹角所对应的时间值，并乘以恒定系数所得到，每个姿态下的能源获取量＝该姿态下太阳帆板与太阳光线夹角×该姿态的保持时间×恒定系数，该恒定系数由太阳帆板的材料决定；在此基础上，对整轨的一系列姿态下的能源获取量进行加和，可以得到整轨的能源获取量；

（8）太阳帆板安装角度确定：将步骤（6）中的θ作为变量，也即将太阳帆板安装角度参数为优化目标参数，优化函数为步骤（7）的整轨的能源获取量，每一太阳帆板安装角度所对应的每轨能源获取量值应该大于步骤（4）每轨载荷能源需求量的值，如果大于载荷能源需求量，则有效，小于则计算出的太阳帆板安装角度值无效。本着整轨能源获取量值最大的原则，可以确定太阳帆板的最优安装角度值；

（9）星敏感器安装角度确定：原理同太阳帆板，首先不考虑卫星姿态机动的情况，初步选定一个可以使用的星敏感器安装角度值，在此基础上，加入步骤（5）的卫星姿态机动角度值，开始进行整轨星敏感器可用时段计算，星敏感器安装角度参数为优化目标参数，优化函数为整轨星敏感器的可用时间长度，可用时段最长值所对应的参数为星敏感器的最优安装角度。

可用时段＝避开姿态机动太阳抑制角时间并且避开姿态机动过程地球抑制角时间并且避开姿态机动过程月亮抑制角时间并且不被太阳帆板遮挡视线时间。其中避开姿态机动太阳抑制角时间由星敏感器的视场与太阳光的角度参数在工作条件约束下的时间段得到，避开姿态机动过程地球抑制角时间由星敏感器的视场与地气光的角度参数在工作条件约束下的时间段得到，避开姿态机动月亮抑制角时间由星敏感器的视场与月亮的角度参数在工作条件约束下的时间段得到，不被太阳帆板遮挡视线时间由卫星姿态过程中星敏感器视场不被太阳帆板遮挡的工作条件约束下的时间段得到。

（10）从以上的设置，可以获得敏捷卫星的结构布局参数。

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。

Claims (1)

1.一种敏捷卫星的结构布局参数确定方法，其特征在于步骤如下：

（1）确定观测区域的地理位置；

（2）根据观测区域、观测时间、对观测区域的重访要求和重访周期，确定卫星的轨道参数；

（3）根据卫星轨道参数、观测区域，确定卫星上支撑观测的有效载荷，并确定各有效载荷的开机时间及所需的功率；

（4）将支撑观测的各单个有效载荷所需功率乘以对应的开机时间，得到各单个有效载荷所需的能源，各单个有效载荷所需能源相加，得到载荷能源需求量；

（5）根据观测区域、卫星轨道参数、卫星成像模式计算在每一个轨道周期内卫星可能的姿态机动角度值；

（6）设定太阳帆板的安装角度初值，在此基础上，确定每一个轨道周期内卫星所有可能的姿态机动角度值的持续时间以及每一个姿态机动角度值下太阳帆板与太阳光线的夹角，由此计算卫星在每一个姿态机动角度值下太阳帆板所能获取的能源量，将整轨所有可能的姿态角度值下对应的太阳帆板所能获取的能源量相加，得到在某一固定太阳帆板安装角度下卫星整轨的能源获取量；

（7）不断改变步骤（6）中太阳帆板的安装角度初值，直至寻找到卫星整轨的能源获取量大于载荷能源需求量且卫星整轨的能源获取量的绝对值最大时对应的太阳帆板的安装角度值，作为太阳帆板的最优安装角度值；

（8）设定星敏感器的安装角度初值，在此基础上，确定每一个轨道周期内卫星所有可能的姿态机动角度值所对应的星敏感器可用时间，由此得到在某一固定星敏感器安装角度下卫星整轨的星敏感器可用总时间；

（9）不断改变步骤（8）中星敏感器的安装角度初值，直至寻找到整轨的星敏感器可用总时间最大值对应的星敏感器的安装角度值，作为星敏感器的最优安装角度值。

Images