CN104267735A - 一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，该方法包含：确定倾斜轨道卫星偏航机动的约束条件，以及各约束条件的判断阈值；根据约束条件及其判断阈值来判断偏航机动的时机。本发明全面分析了倾斜轨道卫星在轨自主进行偏航机动的约束条件；分析了偏航机动约束条件的性质，满足条件和发生频次，为准确判断偏航机动时机和时刻提供了有效可靠的依据；提出了偏航机动时机判断准则和启动偏航机动具体时刻的判断方法，使星上软件能够准确地自主进行偏航机动的启动和控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星控制技术，具体涉及一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法。
背景技术
倾斜轨道卫星在轨光照情况复杂是卫星研制的难点。通过设计自主偏航机动控制策略，可以实现卫星对倾斜轨道复杂光照条件的适应。卫星在轨进行自主偏航机动的关键是选择正确的、合理的偏航机动时机来启动偏航机动。选择偏航机动时机的过程就是判断各项约束条件是否满足的过程。因此必须综合分析影响偏航机动的各项约束条件，合理选择偏航机动时机，既要确保不会错过机动窗口，又要确保偏航机动能够顺利进行，还要确保机动过程对卫星执行任务产生的不利影响最小。
发明内容
本发明提供一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，使星载软件正确、合理地时刻启动偏航机动。
为实现上述目的，本发明提供一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特点是，该方法包含：
确定倾斜轨道卫星偏航机动的约束条件，以及各约束条件的判断阈值；
根据约束条件及其判断阈值来判断偏航机动的时机。
上述倾斜轨道卫星偏航机动的约束条件包含：太阳高度角约束、星体当前偏航姿态约束、太阳相对星体运动方向约束、地影区约束、帆板约束、飞轮转速约束、整星状态约束、纬度约束，以及星上载荷任务要求产生的约束。
根据上述约束条件满足所需时间将约束条件分为机动时机约束和机动准备约束；判断约束条件满足的等待时间是否大于一个轨道周期，若是，则该约束条件为机动时机约束，如否，则该约束条件为机动准备约束；
机动时机约束达到并且机动准备约束完成，则启动偏航机动控制；
上述太阳高度角约束、星体当前偏航姿态约束和太阳相对星体运动方向约束与机动时机选择相关，称之为机动时机约束；
上述地影区约束、帆板约束、飞轮转速约束、整星状态约束、纬度约束，及星上载荷任务要求产生的约束与机动启动时刻选择相关，称之为机动准备约束。
上述机动时机约束的判断卫星偏航机动启动的阈值包含：
上述太阳高度角约束为：太阳高度角处于机动窗口内；
上述星体当前偏航姿态约束为：
当太阳高度角范围在0°至40°，且星体当前偏航姿态不为0°；
当太阳高度角范围在40°至90°，且星体当前偏航姿态不为-90°；
当太阳高度角范围在0°至-40°，且星体当前偏航姿态不为180°；
当太阳高度角范围在-40°至-90°，且星体当前偏航姿态不为90°；
上述太阳相对星体运动方向约束为：太阳高度角由正变负时卫星进行0°至180°的偏航机动，太阳高度角由负变正时卫星进行180°至0°的偏航机动。
上述太阳高度角在-2°至2°，则基于太阳相对星体运动方向约束判断卫星偏航机动时机具体包含：
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机未达到；
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机未达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机未达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机未达到。
上述机动准备约束的判断卫星偏航机动启动的阈值包含：
上述帆板约束为处于停转状态；
上述地影区约束为卫星进入地影区；
上述飞轮转速约束为偏航轴飞轮转速低于200rpm；
上述纬度约束为卫星进入南纬60°至75°区域。
上述星上载荷任务要求产生的约束与整星状态约束判断卫星偏航机动启动的条件为：地面命令允许卫星自主机动。
本发明一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法和现有技术相比，其优点在于，本发明全面分析了倾斜轨道卫星在轨自主进行偏航机动的约束条件；分析了偏航机动约束条件的性质，满足条件和发生频次，为准确判断偏航机动时机和时刻提供了有效可靠的依据；提出了偏航机动时机判断准则和启动偏航机动具体时刻的判断方法，使星上软件能够准确地自主进行偏航机动的启动和控制。
附图说明
图1为本发明一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明具体实施例。
本发明公开一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其构思是：分析太阳高度角的变化规律和太阳与卫星相对位置关系的变化规律，并考虑星上光学姿态敏感器视场要求，以星上信息为输入自主决策是否需要进行偏航机动，并确定启动偏航机动的时刻。
如图1所示，为本发明一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法的实施例，该方法包含以下步骤：
步骤1、列出所有影响偏航机动的约束条件。
倾斜轨道卫星自主进行偏航姿态机动，需要考虑的约束条件可分为内部约束和外部约束。
内部约束主要是当前环境和卫星客观状态产生的约束，主要有：太阳高度角约束、星体当前偏航姿态约束、太阳相对星体运动方向约束、地影区约束、帆板约束、飞轮转速约束、整星状态约束。
外部约束主要是星上载荷任务要求产生的约束，例如任务约束，以及地心纬度约束。
步骤2、对上述所有的约束条件进行分析，确定其性质。
上述步骤1中所有约束条件都满足才可以进行偏航机动。根据约束条件满足所需时间的长短将约束具体分为机动时机约束和机动准备约束，并确定约束条件满足的时间和发生频次。
根据所述约束条件满足所需时间是否大于一个轨道周期将约束条件分为机动时机约束和机动准备约束。约束条件满足的等待时间大于一个轨道周期则该约束称为机动时机约束，否则称为机动准备约束。机动时机约束达到并且机动准备约束完成，则启动偏航机动控制。
机动时机约束达到并且机动准备约束完成，则可以启动偏航机动控制，否则不启动偏航机动控制。
基于上述原则，太阳高度角约束、星体当前偏航姿态约束和太阳相对星体运动方向约束与机动时机选择相关，称之为机动时机约束；
地影区约束、帆板约束、飞轮转速约束、整星状态约束、纬度约束，及星上载荷任务要求产生的约束与机动启动时刻选择相关，称之为机动准备约束。
步骤3、对各约束的满足条件进行分析，确定时机判断阈值。
如表1所示，偏航机动时机约束包含：太阳高度角约束、星体当前偏航姿态约束和太阳相对星体运动方向约束。
其中，判断太阳高度角约束条件满足的阈值为：太阳高度角处于机动窗口内。机动窗口意指太阳高度角满足约束不是一个固定的数值，而是一个范围，该范围可称为机动窗口。例如太阳高度角在0°至40°范围内时，可称为太阳高度角在0°到-90°偏航机动或-90°到0°偏航机动的机动窗口内。
其约束判断为自主判断，本实施例中，其平均发生频次为18次/年。
判断星体当前偏航姿态约束条件满足的阈值见下文表2具体说明。其约束判断为自主判断，本实施例中，其平均发生频次为18次/年。
判断太阳相对星体运动方向约束条件满足的阈值为：当太阳高度角由正变负时卫星进行0°至180°的偏航机动；当太阳高度角由负变正时卫星进行180°至0°的偏航机动。其约束判断为自主判断，本实施例中，其平均发生频次为6次/年。
机动准备约束包含：帆板约束、地影区约束、纬度约束，另还有飞轮转速约束。
其中，判断帆板约束条件满足的阈值为：卫星帆板处于停转状态。其约束判断为自主判断，本实施例中，其平均发生频次为18次/年。
判断偏航轴飞轮转速约束条件满足的阈值为：偏航轴飞轮转速低于200rpm。
判断纬度约束（地心纬度条件）条件满足的阈值为：卫星进入南纬60°至75°区域（即卫星地心纬度在-75°至-60°范围内）。其约束判断为自主判断，本实施例中，其平均发生频次为18次/年。
判断地影区约束条件满足的阈值为：卫星进入地影区。断地影区约束的约束判断为自主判断，本实施例中，其平均发生频次为1次/年。
表1 偏航机动约束条件
机动准备约束中还包含有外部约束，即星上载荷任务要求产生的约束与整星状态约束，上述星上载荷任务要求产生的约束与整星状态约束判断卫星偏航机动启动的条件为：地面命令允许卫星自主机动。其平均发生频次为非定期。
步骤4、根据上述步骤3的分析，确定偏航机动时机的判断准则，并根据约束条件及其判断阈值来判断偏航机动的时机。
（1）、若太阳高度角在机动窗口内，但用户任务或整星其他分系统不允许进行偏航机动，则不进行偏航机动。
（2）、若太阳高度角进入机动窗口，且整星允许进行偏航机动，则按表2判断是否偏航机动时机到，偏航机动时机到则启动偏航机动模式，否则不启动偏航机动模式。
表2偏航机动窗口和时机判断表
如表2所示，为不同情况下，偏航机动窗口和时机判断，具体如下：
机动窗口1：当太阳高度角范围在0°至40°，若星体当前偏航姿态不为0°，则判断偏航机动时机到；反之，则判偏航机动时机未到。
机动窗口2：当太阳高度角范围在40°至90°，若星体当前偏航姿态不为-90°，则判断偏航机动时机到；反之，则判偏航机动时机未到。
机动窗口3：当太阳高度角范围在2°至0°，若太阳高度角在减小，且星体当前偏航姿态不为180°，则判机动时机到，具体判断准则见表3。
机动窗口4：当太阳高度角范围在0°至-40°，若星体当前偏航姿态不为180°，则判断偏航机动时机到；反之，则判偏航机动时机未到。
机动窗口5：当太阳高度角范围在-40°至-90°，若星体当前偏航姿态不为90°，则判断偏航机动时机到；反之，则判偏航机动时机未到。
机动窗口6：当太阳高度角范围在-2°至0°，若太阳高度角在增大，且星体当前偏航姿态不为0°，则判机动时机到，具体判断准则见表3。
表3 太阳高度角在0°附件时的偏航机动时机判断
如表3所示，当太阳高度角在0°附近，则基于太阳相对星体运动方向约束判断卫星偏航机动时机具体操作如下：
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机未达到。
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机达到。
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机达到。
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机未达到。
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机未达到。
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机达到。
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机达到。
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机未达到。
（3）、根据上述判断标准，得出偏航机动时机已到，并且用户任务或整星其他分系统允许偏航机动，则下列条件满足后立刻进行偏航机动：
a）太阳帆板已停转；
b）偏航轴飞轮转速低于200rpm；
c）卫星地心纬度在-75°～-60°范围内；
d）对于在北半球秋、冬季期间（太阳位于赤道平面以下）进行180°→0°偏航机动的情况，卫星须进入地影区后才可以机动，此时不再判断地心纬度条件。其他情况则不需判断地影区条件，只需判断地心纬度条件即可。
以下进一步说明本发明的一个具体实施例。
若当前太阳高度角β=40°，当前卫星偏航轴姿态偏置在-90°，且太阳运动方向为1，则根据表2可知，当前偏航机动时机未到，则不再判断其他约束；若当前太阳运动方向为-1，则根据表2可知，当前偏航机动时机已到，则需继续判断其他约束。此时若当前卫星所在位置的地心纬度大于-60°，则当前偏航机动准备条件未满足，不能启动偏航机动控制，也不再判断其他约束条件；若当前卫星地心纬度为-62°（南纬62°），且偏航轴飞轮转速小于200rpm，则立即发帆板停转指令，启动偏航机动控制。
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 (7)
1.一种倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特征在于，该方法包含：
确定倾斜轨道卫星偏航机动的约束条件，以及各约束条件的判断阈值；
根据约束条件及其判断阈值来判断偏航机动的时机。
2.如权利要求1所述的倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特征在于，所述倾斜轨道卫星偏航机动的约束条件包含：太阳高度角约束、星体当前偏航姿态约束、太阳相对星体运动方向约束、地影区约束、帆板约束、飞轮转速约束、整星状态约束、纬度约束，以及星上载荷任务要求产生的约束。
3.如权利要求2所述的倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特征在于，根据所述约束条件满足所需时间将约束条件分为机动时机约束和机动准备约束；判断约束条件满足的等待时间是否大于一个轨道周期，若是，则该约束条件为机动时机约束，如否，则该约束条件为机动准备约束；
机动时机约束达到并且机动准备约束完成，则启动偏航机动控制；
所述太阳高度角约束、星体当前偏航姿态约束和太阳相对星体运动方向约束与机动时机选择相关，称之为机动时机约束；
所述地影区约束、帆板约束、飞轮转速约束、整星状态约束、纬度约束，及星上载荷任务要求产生的约束与机动启动时刻选择相关，称之为机动准备约束。
4.如权利要求3所述的倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特征在于，所述机动时机约束的判断卫星偏航机动启动的阈值包含：
所述太阳高度角约束为：太阳高度角处于机动窗口内；所述机动窗口指太阳高度角满足约束的范围；
所述星体当前偏航姿态约束为：
当太阳高度角范围在0°至40°，且星体当前偏航姿态不为0°；
当太阳高度角范围在40°至90°，且星体当前偏航姿态不为-90°；
当太阳高度角范围在0°至-40°，且星体当前偏航姿态不为180°；
当太阳高度角范围在-40°至-90°，且星体当前偏航姿态不为90°；
所述太阳相对星体运动方向约束为：太阳高度角由正变负时卫星进行0°至180°的偏航机动，太阳高度角由负变正时卫星进行180°至0°的偏航机动。
5.如权利要求4所述的倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特征在于，所述太阳高度角在-2°至2°，则基于太阳相对星体运动方向约束判断卫星偏航机动时机具体包含：
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为-1（太阳高度角在减小，下同），则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为1（太阳高度角在增大，下同），则判断卫星偏航机动时机未达到；
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在0°至2°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机未达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机未达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为0°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为1，则判断卫星偏航机动时机达到；
当太阳高度角范围在-2°至0°，星体当前偏航姿态为180°，太阳相对星体运动方向为-1，则判断卫星偏航机动时机未达到。
6.如权利要求3所述的倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特征在于，所述机动准备约束的判断卫星偏航机动启动的阈值包含：
所述帆板约束为处于停转状态；
所述地影区约束为卫星进入地影区；
所述飞轮转速约束为偏航轴飞轮转速低于200rpm；
所述纬度约束为卫星进入南纬60°至75°区域。
7.如权利要求2或3所述的倾斜轨道卫星偏航机动时机判断方法，其特征在于，所述星上载荷任务要求产生的约束与整星状态约束判断卫星偏航机动启动的条件为：地面命令允许卫星自主机动。
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