CN104361210B - 体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法 - Google Patents

体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法，包括如下步骤：步骤1：定义立方体卫星各个面的初始时刻法向矢量；步骤2：计算地球本体相对卫星的张角，判断立方体卫星是否处于地影；步骤3：计算卫星运动过程中立方体卫星的各个面法向矢量的变化；步骤4：根据各个面法向矢量的变化和卫星是否处于地影，计算一个轨道周期内卫星能量总和。本发明通过分析太阳矢量与立方体卫星的角度变化关系，能够准确估计安装体装式电池阵的立方体卫星的能源；本发明中计算方法简单提高了计算效率。

Description

体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法
技术领域
本发明涉及立方体卫星的能源预算，具体地，涉及一种体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法。
背景技术
能源设计是卫星设计的基础，准确估计在轨的能源供给情况是电池阵设计论证的重点，也是制约卫星功能扩展、工作模式设计的重要因素。
经过对现有技术的检索，并没有发现现有技术中存在卫星能源估算方法或者类似的方法，因此急需一种能够卫星能源估算方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法。
根据本发明提供的方法,可简便、快速、准确的估计立方体卫星在轨的能源供给平衡情况，为卫星总体设计提供必要的支撑，是卫星论证不可缺少的环节。
根据本发明提供的体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法，包括如下步骤：
步骤1：定义立方体卫星各个面的初始时刻法向矢量；
步骤2：计算地球本体相对卫星的张角，判断立方体卫星是否处于地影；
步骤3：计算卫星运动过程中立方体卫星的各个面法向矢量的变化；
步骤4：根据各个面法向矢量的变化和卫星是否处于地影，计算一个轨道周期内卫星能量总和。
优选地，所述步骤1具体为定义如下象限：
立方体卫星的Ⅰ象限，即-X面的初始时刻法线矢量为[-1,0,0]'；
立方体卫星的Ⅱ象限，即-Y面初始时刻法线矢量为[0,-1,0]'；
立方体卫星的Ⅲ象限，即+X面初始时刻法线矢量为[1,0,0]'；
立方体卫星的Ⅳ象限，即Y面初始时刻法线矢量为[0,1,0]'；
立方体卫星的Ⅴ象限，即Z面初始时刻法线矢量为[0,0,1]'；
立方体卫星的Ⅵ象限，即-Z面初始时刻法线矢量为[0,0,-1]'。
优选地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：计算地球本体相对立方体卫星的张角γumbra：
其中，Re是地球半径，H是立方体卫星的轨道高度；
步骤2.2：计算立方体卫星指向太阳矢量与立方体卫星指向地球矢量的夹角γ：
其中，VXR为初始时刻卫星本体坐标系下卫星本体指向太阳的矢量，VDX为初始时刻卫星本体坐标系下地球指向卫星本体的矢量；
步骤2.3：判断立方体卫星是否处于地影，
当-γumbra＜γ＜γumbra，则判断立方体卫星进入地影，地影标志flag＝0。
优选地，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：计算旋转矩阵R
其中，θ为卫星绕轨道面法线旋转的角度；
步骤3.2：计算立方体卫星运动过程中各个面法向矢量的变化：
立方体卫星Ⅰ的象限法线在参考系下矢量V1＝R×[-1,0,0]'；％；
其中，R表示旋转矩阵；[]'表示行向量转置，即变成列向量；
立方体卫星的Ⅱ象限法线在参考系下矢量V2＝R×[0,-1,0]'；％；
立方体卫星的Ⅲ象限法线在参考系下矢量V3＝R×[1,0,0]'；％；
立方体卫星的Ⅳ象限法线在参考系下矢量V4＝R×[0,1,0]'；％；
立方体卫星的Ⅴ象限法线在参考系下矢量V5＝R×[0,0,1]'；％；
立方体卫星的Ⅵ象限法线在参考系下矢量V6＝R×[0,0,-1]'；％。
优选地，所述步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：计算立方体卫星各象限法线矢量与太阳的夹角：
立方体卫星的Ⅰ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅱ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅲ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅳ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅴ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅵ象限法线矢量与太阳的夹角
其中，VDR为初始时刻卫星本体坐标系下地心指向太阳矢量；
步骤4.2：计算一个轨道周期内立方体卫星能量总和，
立方体卫星的其中一个面获得的能源为，当flag＝0，则Wi＝0；
当flag≠0，则Wi＝K×η×cos(AngV1SUN～V6SUN)；
其中，Wi为立方体卫星的其中一个面获得的能源；i为自然数1≤i≤6，K为常数，为1358W/m2，η为电池的光电转换效率和布片效率的乘积；
则一个轨道周期内立方体卫星的总能源W为：
W＝ΣWi×Vp
其中，Vp为立方体卫星六个象限的布片矢量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过分析太阳矢量与立方体卫星的角度变化关系，能够准确估计安装体装式电池阵的立方体卫星的能源；
本发明中计算方法简单提高了计算效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中立方体卫星在轨飞行时本体坐标系相对初始时刻参考坐标系的角度变化；
图2为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，如图1、图2所示，XcYcZc为初始时刻的参考坐标系，XbYbZb为卫星本体坐标系，初始时刻两个坐标系重合，在一个轨道周期内，卫星绕Yc轴转过的角度即为θ角。本发明提供的体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法，为卫星总体设计提供依据，包括如下步骤：
步骤1：定义立方体卫星各个面的初始时刻法向矢量；
步骤2：计算地球本体相对卫星的张角，判断立方体卫星是否处于地影；
步骤3：计算卫星运动过程中立方体卫星的各个面法向矢量的变化；
步骤4：根据各个面法向矢量的变化和卫星是否处于地影，计算一个轨道周期内卫星能量总和。
具体如下：
所述步骤1具体为：
立方体卫星的Ⅰ象限，即-X面的初始时刻法线矢量为[-1,0,0]'；
立方体卫星的Ⅱ象限，即-Y面初始时刻法线矢量为[0,-1,0]'；
立方体卫星的Ⅲ象限，即+X面初始时刻法线矢量为[1,0,0]'；
立方体卫星的Ⅳ象限，即Y面初始时刻法线矢量为[0,1,0]'；
立方体卫星的Ⅴ象限，即Z面初始时刻法线矢量为[0,0,1]'；
立方体卫星的Ⅵ象限，即-Z面初始时刻法线矢量为[0,0,-1]'。
2、计算地球本体相对卫星的张角，判断卫星是否处于地影
按照下面公式计算地球本体相对卫星的张角γumbra
其中，Re是地球半径，H是轨道高度。
然后按照下式计算卫星指向太阳矢量与卫星指向地球矢量夹角γ
其中，VXR是卫星本体指向太阳的矢量，VDX是地球指向卫星的矢量，二者均在初始时刻卫星本体坐标系(参考坐标系)下描述。
并判断卫星是否处于地影
如果-γumbra＜γ＜γumbra，则判断进入地影，地影标志flag＝0。
3、计算卫星运动过程中，各个面法向矢量的变化
首先计算旋转矩阵R
其中，θ为卫星绕轨道面法线旋转的角度。
其次，分别计算卫星运动过程中，各个面法向矢量的变化
V1＝R×[-1,0,0]'；％Ⅰ象限法线在参考系下矢量
V2＝R×[0,-1,0]'；％Ⅱ象限法线在参考系下矢量
V3＝R×[1,0,0]'；％Ⅲ象限法线在参考系下矢量
V4＝R×[0,1,0]'；％Ⅳ象限法线在参考系下矢量 (4)
V5＝R×[0,0,1]'；％Ⅴ象限法线在参考系下矢量
V6＝R×[0,0,-1]'；％Ⅵ象限法线在参考系下矢量
其中，R表示旋转矩阵；[]'表示行向量转置，即变成列向量。
4、计算一个轨道周期内卫星能量总和
首先，按下式计算各象限法线矢量与太阳夹角
其中，VDR为地心指向太阳的矢量，在初始时刻卫星本体坐标系(参考坐标系)下描述。
最后，计算一个轨道周期内卫星能量总和
仿真的每一时刻，立方体的某个面获得的能源为
当flag＝0，则Wi＝0
当flag≠0，按下式计算每个面一个轨道周期内获得能量。
Wi＝K×η×cos(AngV1SUN～V6SUN) (6)
其中，K为常数，为1358W/m2，η为光电转换效率和布片效率的乘积。
按照下式计算一个轨道周期内立方体卫星的总能源：
W＝ΣWi×Vp (7)
其中，Vp为立方体卫星六个象限的布片矢量，若某象限贴满太阳电池片，则为1，反之，为0。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种体装式电池阵的立方体卫星能源估算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：定义立方体卫星各个面的初始时刻法向矢量；
步骤2：计算地球本体相对卫星的张角，判断立方体卫星是否处于地影；
步骤3：计算卫星运动过程中立方体卫星的各个面法向矢量的变化；
步骤4：根据各个面法向矢量的变化和卫星是否处于地影，计算一个轨道周期内卫星能量总和；
所述步骤1具体为定义如下象限：
立方体卫星的Ⅰ象限，即-X面的初始时刻法线矢量为[-1,0,0]'；
立方体卫星的Ⅱ象限，即-Y面初始时刻法线矢量为[0,-1,0]'；
立方体卫星的Ⅲ象限，即+X面初始时刻法线矢量为[1,0,0]'；
立方体卫星的Ⅳ象限，即Y面初始时刻法线矢量为[0,1,0]'；
立方体卫星的Ⅴ象限，即Z面初始时刻法线矢量为[0,0,1]'；
立方体卫星的Ⅵ象限，即-Z面初始时刻法线矢量为[0,0,-1]'；
所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：计算地球本体相对立方体卫星的张角γumbra：
<mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>m</mi> <mi>b</mi> <mi>r</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arcsin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>H</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Re是地球半径，H是立方体卫星的轨道高度；
步骤2.2：计算立方体卫星指向太阳矢量与立方体卫星指向地球矢量的夹角γ：
<mrow> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>=</mo> <mi>arccos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>X</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>X</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>X</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>X</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，VXR为初始时刻卫星本体坐标系下卫星本体指向太阳的矢量，VDX为初始时刻卫星本体坐标系下地球指向卫星本体的矢量；
步骤2.3：判断立方体卫星是否处于地影，
当-γumbra＜γ＜γumbra，则判断立方体卫星进入地影，地影标志flag＝0；
所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：计算旋转矩阵R
<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中，θ为卫星绕轨道面法线旋转的角度；
步骤3.2：计算立方体卫星运动过程中各个面法向矢量的变化：
立方体卫星Ⅰ的象限法线在参考系下矢量V1＝R×[-1,0,0]'；％；
其中，R表示旋转矩阵；[]'表示行向量转置，即变成列向量；
立方体卫星的Ⅱ象限法线在参考系下矢量V2＝R×[0,-1,0]'；％；
立方体卫星的Ⅲ象限法线在参考系下矢量V3＝R×[1,0,0]'；％；
立方体卫星的Ⅳ象限法线在参考系下矢量V4＝R×[0,1,0]'；％；
立方体卫星的Ⅴ象限法线在参考系下矢量V5＝R×[0,0,1]'；％；
立方体卫星的Ⅵ象限法线在参考系下矢量V6＝R×[0,0,-1]'；％；
所述步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：计算立方体卫星各象限法线矢量与太阳的夹角：
立方体卫星的Ⅰ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅱ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅲ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅳ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅴ象限法线矢量与太阳的夹角
立方体卫星的Ⅵ象限法线矢量与太阳的夹角
其中，VDR为初始时刻卫星本体坐标系下地心指向太阳矢量；
步骤4.2：计算一个轨道周期内立方体卫星能量总和，
立方体卫星的其中一个面获得的能源为，当flag＝0，则Wi＝0；
当flag≠0，则Wi＝K×η×cos(AngV1SUN～V6SUN)；
其中，Wi为立方体卫星的其中一个面获得的能源；i为自然数1≤i≤6，K为常数，为1358W/m2，η为电池的光电转换效率和布片效率的乘积；
则一个轨道周期内立方体卫星的总能源W为：
W＝∑Wi×Vp
其中，Vp为立方体卫星六个象限的布片矢量。
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北斗导航卫星地影状态分析;毛悦 等;《测绘学报》;20140430;第43卷(第4期);第1、2部分 *
地影期GSO卫星一次电源供电分析;曹正蕊 等;《飞行器测控学报》;20130228;第32卷(第1期);全文 *

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