CN104296751B - 一种多星敏感器构型布局设计方法 - Google Patents

一种多星敏感器构型布局设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多星敏感器构型布局设计方法，其步骤为：步骤一：明确星敏感器光轴与太阳光、地气光及星体物间的最小夹角；步骤二：创建布局设计模型；步骤三：在卫星立体模型中创建每个星敏感器的太阳光抑制角锥、地气光抑制角锥和星体物抑制角锥；步骤四：在卫星模型上实时调整每个星敏感器的布局；步骤五：将两两星敏感器光轴间夹角在2θs‑180度之间调整，使该夹角大于太阳光抑制角的两倍；步骤六：旋转星敏感器使恒星相对运动均匀分配到与每个星敏感器光轴垂直的两个坐标轴上。本发明可获得多星敏感器联合定姿的最佳姿态测量精度，提高了多个星敏感器布局设计的效率。

Description

一种多星敏感器构型布局设计方法
技术领域
本发明涉及一种多星敏感器构型布局设计方法，属于卫星总体设计领域。
背景技术
利用摄影测量原理进行地面目标定位的遥感卫星，都需要获取卫星的6个外方位元素，即卫星的位置和姿态角，其中位置称为外方位线元素，姿态角称为外方位角元素。随着用于测绘、国土勘察等应用的测绘卫星地面目标定位精度要求越来越高，这就要求获得高精度的外方位角元素和外方位线元素，而目前为了获得高精度的外方位角元素，卫星上一般采用多个(如3个)高精度的星敏感器，多星敏感器的星上构型布局设计，直接影响多星敏感器联合定姿的精度。
目前精度较高的星敏感器一般采用CCD或APS探测器在卫星运动过程中对星空成像，然后利用高精度的星历解算最终得到卫星在惯性空间中的姿态四元数。由于星空是较暗的背景空间，太阳光、月光、地气光、星体物反射光等杂散光极易对探测器的背景噪声产生影响，从而影响星敏感器的测量精度。因此，星敏感器在卫星上的布局时，要严格控制星敏感器的视场条件，确保其不受杂散光的影响。
根据星敏感器测量原理，一个星敏感器只能高精度测量其光轴指向，另外2个轴的指向测量精度要低得多。为了得到卫星三轴的高精度姿态信息，则需要至少两台以上的星敏感器进行联合定姿，并且当星敏感器光轴之间正交安装时，由星敏感器间交角关系引起的联合定姿误差会最小，例如法国SPOT6卫星的三台星敏感器光轴就是采用正交安装的方式，但是受限于卫星构型及星体物遮挡等约束，并不是所有的卫星都能够实现星敏正交安装。
还有一个常常被忽视的设计细节，即恒星与星敏感器之间的相对运动关系设计。由于卫星的轨道、姿态运动，恒星与星敏感器之间存在相对运动。星敏感器的测姿精度与此相对运动相关，一般讲，星敏感器测姿精度随恒星相对运动增大而降低。因此，针对卫星轨道、姿态运动特性，合理设计恒星在星敏感器测量坐标系中的相对运动，也是降低星敏感器测量误差，提高测姿精度的关键环节。
以往在进行星敏感器构型布局时，主要凭结构设计师的经验先在卫星结构模型上预设几个星敏感器光轴的指向，使两两星敏感器光轴之间的夹角尽量接近90度，设计后验证每个星敏感器光轴和太阳、地球及星体物之间的关系是否满足使用要求，如不满足则重新调整星敏感器的布局。这种星敏感器支架构型布局的设计方法存在如下不足：(1)设计不直观、效率低，采用这种方法在进行星敏感器布局设计时无法直观观察星敏感器光轴与太阳、地球及星体物之间的相对关系，只能事后进行验证，所以往往需要多次反复才能确定布局方案，设计效率低；(2)设计过程不量化，不容易得到较优化的设计方案，由于在设计过程中主要凭经验尝试，无量化的控制措施，往往不能得到各方面都满足要求的优化布局方案。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多星敏感器构型布局设计方法，可量化控制布局过程，获得较优化的星敏感器布局，从而获得最佳的姿态测量效果，提高卫星的地面目标定位精度。
本发明的技术解决方案是：
一种多星敏感器构型布局设计方法，其步骤为：
步骤一：明确星敏感器杂散光的限制条件，即根据星敏感器技术规范中的要求，明确星敏感器光轴与太阳光的最小夹角即星敏感器太阳光抑制角、星敏感器光轴与地气光最小夹角即地气光抑制角及星敏感光轴与星体物间的最小夹角，分别为θs，θe，θb；
步骤二：根据卫星的运行轨道计算太阳光、地气光与卫星轨道面的关系，据此创建布局设计模型，模型包括卫星立体模型、太阳光包络、地气光包络；
步骤三：根据步骤一中确定的星敏感器光轴与太阳光、地气光及星体物间的最小夹角，在卫星立体模型中创建每个星敏感器的太阳光抑制角锥、地气光抑制角锥和星体物抑制角锥；
步骤四：在卫星模型上实时调整每个星敏感器的布局，直接观察每个星敏感器的视场条件和星敏光轴间的夹角关系，使每个星敏感器的太阳遮光角锥不能进入太阳光包络，地气遮光角锥不能进入地气光包络，不能有星体物进入星体物抑制角锥，得到布局方案；
步骤五：在步骤四夹角关系确定的情况下，将两两星敏感器光轴间夹角在2θs-180度之间调整，使该夹角大于太阳光抑制角的两倍；
步骤六：不改变星敏感器光轴间夹角关系，调整星敏感器光轴指向，通过旋转星敏感器使恒星相对运动均匀分配到与每个星敏感器光轴垂直的两个坐标轴上。
两两星敏感器光轴间的夹角为90度。
太阳光包络确定方法为：以一年中太阳光与轨道面的最小夹角αmin为临界条件，若轨道为降交点地方时为上午的太阳同步轨道，则选择-Y面，建立半锥角为90°-αmin的圆锥面，其他情况下在星体+Y面建立半锥角为90°-αmin的圆锥面，星敏感器的安装必须保证太阳抑制角视场不进入该90°-αmin的圆锥体内。
地气光包络确定方法为：地球半径取R，轨道高度H，考虑100千米的大气层高度，卫星到地气边沿切线与地垂线的夹角为β，以星体+Z轴建立半锥角为β的圆锥面，则星敏地球抑制角EEA的视场不能进入该圆锥包络面内。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明可以在多个星敏感器构型布局设计中，直观并且精确控制星敏感器光轴间的角度关系及星敏感器光轴与太阳、地球和星体物间的关系；
(2)在满足星敏感器视场条件的前提下，同时使恒星相对运动均匀分配到与每个星敏感器光轴垂直的两个坐标轴上，获得多个星敏感器最优位置关系，从而获得多星敏感器联合定姿的最佳姿态测量精度，提高了多个星敏感器布局设计的效率。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为1年中太阳光与卫星轨道面夹角变化示意图；
图3为本发明太阳光抑制角、地气光抑制角和星体物抑制角示意；
图4为本发明卫星立体模型、太阳光包络、地气光包络示意图；
图5为本发明太阳光抑制角锥、地气光抑制角锥和星体物抑制角锥示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
一种多星敏感器构型布局设计方法，其步骤为(如图1)：
步骤一：明确星敏感器杂散光的限制条件，即明确星敏感器光轴与太阳光、地气光及星体物间的最小夹角，分别为θs，θe，θb；
星敏感器的太阳光抑制角θS，地气光抑制角θE，与星体物间最小夹角θe，在星敏感器构型布局时要保证太阳光抑制角θS内不能见太阳，地气光抑制角θe内不能见地球，与星体物间最小夹角θe内不能见星体物。
步骤二：根据卫星的运行轨道计算太阳光、地气光与卫星轨道面的关系，据此创建布局设计模型，模型包括卫星立体模型、太阳光包络、地气光包络，其中卫星立体模型、太阳光包络1和地气光包络2确定方法为(如图4所示)：
(1)根据卫星的构型布局，在PRO/ENGINEER、SolidWorks、UG或其他三维模型设计软件中建立卫星立体模型，仅包含星表设备即可；
(2)以一年中太阳光与轨道面的最小夹角αmin为临界条件，在星体+Y面(若轨道为降交点地方时为上午的太阳同步轨道，则选择-Y面)建立半锥角为90°-αmin的圆锥面，星敏感器的安装必须保证太阳抑制角视场不进入该90°-αmin的圆锥体内；
(3)地球半径取R，轨道高度H，考虑100千米的大气层高度，卫星到地气边沿切线与地垂线的夹角为β，如图3所示，以星体+Z轴建立半锥角为β的圆锥面，则星敏地球抑制角EEA的视场不能进入该圆锥包络面内。
步骤三：根据步骤一中确定的星敏感器光轴与太阳光、地气光及星体物间的最小夹角θs、θe、θb，在卫星立体模型中以θs为半锥角创建每个星敏感器的太阳光抑制角锥，以θe为半锥角创建每个星敏感器的地气光抑制角锥，以θb为半锥角创建每个星敏感器的星体物抑制角锥，如图5所示；
步骤四：在卫星模型上实时调整每个星敏感器的布局，直接观察每个星敏感器的视场条件和星敏光轴间的夹角关系，使每个星敏感器的太阳遮光角锥不能进入太阳光包络，地气遮光角锥不能进入地气光包络，不能有星体物进入星体物抑制角锥，得到布局方案；
步骤五：在步骤四夹角关系确定的情况下，将两两星敏感器光轴间夹角在2θs-180度之间调整，最优夹角为90度，使该夹角大于太阳光抑制角的两倍；
步骤六：星敏感器光轴3位置确定后，在星敏感器的XOY面内旋转某个星敏感器，使卫星本体Y轴到每台星敏感器X、Y轴的夹角相等，此时卫星与恒星间的相对运动均匀分配到与每个星敏感器X、Y轴上，有利于提高星敏感器测量精度。
本发明应遵循如下原则进行：
(1)使各星敏感器不受太阳、地球、星体物等引起的杂散光影响，或将其影响降到最低限度；
(2)星敏感器光轴之间的夹角尽量接近90度；
(3)使卫星角速度在每台星敏感器X、Y轴的分量相等；
(4)对于有要求保证两星敏同时工作的卫星，在星敏安装布局时应使两台星敏不能同时受太阳杂散光影响，同时，在卫星侧摆或俯仰机动时，星敏不能同时受地气光影响。
太阳光与卫星轨道面的夹角在一年当中是不断变化的，对于光学遥感卫星，轨道一般选择太阳同步轨道，以降交点地方时为13:30的太阳同步轨道为例，仿真分析太阳光一年中与卫星轨道面的角度关系，如图2所示，由于太阳光只照射轨道面的一侧，因此，在考虑星敏感器布局时，星敏光轴应该远离太阳照射的一侧。根据仿真结果确定太阳光与卫星轨道面的最小夹角。地气光与卫星轨道面的夹角基本为固定值，但在分析时要考虑地球大气层的厚度，一般取100千米。对于光学遥感卫星在分析时应考虑偏流角控制的影响。
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 (4)

1.一种多星敏感器构型布局设计方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：明确星敏感器杂散光的限制条件，即根据星敏感器技术规范中的要求，明确星敏感器光轴与太阳光的最小夹角即星敏感器太阳光抑制角、星敏感器光轴与地气光最小夹角即地气光抑制角及星敏感光轴与星体物间的最小夹角，分别为θs，θe，θb；
步骤二：根据卫星的运行轨道计算太阳光、地气光与卫星轨道面的关系，据此创建布局设计模型，模型包括卫星立体模型、太阳光包络、地气光包络；
步骤三：根据步骤一中确定的星敏感器光轴与太阳光、地气光及星体物间的最小夹角，在卫星立体模型中创建每个星敏感器的太阳光抑制角锥、地气光抑制角锥和星体物抑制角锥；
步骤四：在卫星立体模型上实时调整每个星敏感器的布局，直接观察每个星敏感器的视场条件和星敏感器光轴间的夹角关系，使每个星敏感器的太阳遮光角锥不能进入太阳光包络，地气遮光角锥不能进入地气光包络，不能有星体物进入星体物抑制角锥，得到布局方案；
步骤五：在步骤四夹角关系确定的情况下，将两两星敏感器光轴间夹角在2θs-180度之间调整，使该夹角大于太阳光抑制角的两倍；
步骤六：不改变星敏感器光轴间夹角关系，调整星敏感器光轴指向，通过旋转星敏感器使恒星相对运动均匀分配到与每个星敏感器光轴垂直的两个坐标轴上。
2.根据权利要求1所述的一种多星敏感器构型布局设计方法，其特征在于，两两星敏感器光轴间的夹角为90度。
3.根据权利要求1所述一种多星敏感器构型布局设计方法，其特征在于，太阳光包络确定方法为：以一年中太阳光与轨道面的最小夹角αmin为临界条件，若轨道为降交点地方时为上午的太阳同步轨道，则选择-Y面，建立半锥角为90°-αmin的圆锥面，其他情况下在星体+Y面建立半锥角为90°-αmin的圆锥面，星敏感器的安装必须保证太阳光抑制角视场不进入该90°-αmin的圆锥体内。
4.根据权利要求1所述一种多星敏感器构型布局设计方法，其特征在于，地气光包络确定方法为：地球半径取R，轨道高度H，考虑100千米的大气层高度，卫星到地气边沿切线与地垂线的夹角为β，以星体+Z轴建立半锥角为β的圆锥面，则星敏地球抑制角EEA的视场不能进入该圆锥包络面内。
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