CN105620794A - 一种可靠太阳帆板自主跟踪太阳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种可靠帆板自主跟踪太阳的控制方法。为满足卫星上能源需求，星上安装具有一维转动功能的太阳帆板，通过控制帆板转动和卫星姿态使得帆板法线指向太阳。本发明无需在帆板上安装太阳敏感器，也无需利用星上敏感器测量太阳矢量的信息和卫星当前姿态，仅根据太阳模型和卫星轨道完成帆板转动目标角度计算，然后通过设计合理角度阈值设置不同控制区域，根据划分控制区域控制帆板按照不同模式工作，通过选择合理阈值可以减少帆板在不同模式之间切换，避免帆板频繁停转对卫星姿态扰动和电机工作寿命的影响。本发明提出的帆板自主跟踪太阳的方法简单有效，实现成本低，便于工程实现。

Description

一种可靠太阳帆板自主跟踪太阳控制方法

技术领域

本发明属于航天器控制技术领域，涉及一种简单可靠的太阳帆板自主跟踪太阳控制方法。

背景技术

为满足卫星能源要求，卫星上安装一维转动的太阳帆板，卫星通过控制星体转动和帆板转动使得帆板法线指向太阳。帆板控制首先需要得到太阳位置和帆板位置之间关系，卫星上通过帆板上安装模拟太敏可以直接测量得到也可以根据卫星星体上安装敏感器测量太阳矢量和帆板当前位置得到，但这两种方法前者带来卫星硬件设计复杂，后则带来软件接口复杂，即需要依赖敏感器测量信息，因此为了简化卫星设计和软件接口，设计一种无需敏感器测量信息，仅需要卫星轨道和帆板当前位置进行帆板转动角度控制方法。

依据卫星工作轨道，帆板驱动控制工作模式包括巡航模式、保持模式、增量模式和自动归零模式，帆板对日过程中工作在巡航模式，即以固定角速度转动，但是由于卫星运行实际轨道与理论轨道有偏差，且在轨受摄动影响，帆板以固定角速度转动在一段时间后会超前或滞后目标角度，导致对日精度差，无法满足能源需要，因此需要帆板驱动机构切换成增量模式，以快速角速度转动或切换成保持模式，控制策略设计保证帆板满足对日精度同时，保证帆板不能频繁停转，频繁停转不仅对姿态带来扰动，对电机寿命有影响，因此需要设计一种控制策略，保证帆板在对日跟踪过程中不频繁切换模式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种不依赖敏感器测量信息，仅依据卫星工作模式理论姿态和卫星位置计算帆板转动目标角，并提供一种合理帆板对日跟踪控制策略解决帆板频繁切换模式，提高卫星姿态精度和帆板驱动机构寿命的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可靠太阳帆板自主跟踪太阳控制方法，该方法控制计算流程如图2所示，具体包含如下步骤：

步骤一、根据卫星轨道系下太阳矢量(通过太阳模型和卫星位置计算得到)，计算帆板需要转动目标角度。

轨道系太阳矢量为L＝[SoxSoySoz]^T，根据姿态工作模式可知卫星目标姿态角，利用目标姿态角计算得到卫星本体系太阳矢量S_b。

目标转角定义为太阳在XOZ面的投影与各SADM零位所指轴向的夹角，顺时针方向为正，范围为[0,2π]，则-Y目标转角为：

$\mathrm{\φ}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\π}-arccos(S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2}),S_{bx}\≤0\\ arccos(S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2})+\mathrm{\π},S_{bx}>0\end{array}\right.$

+Y目标转角为：

$\mathrm{\&phi;}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}-arccos(S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2}),S_{bx}\&GreaterEqual;0\\ arccos(S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2})+\mathrm{\&pi;},S_{bx}<0\end{array}\right.$

上式中，如果则采用上一周期目标角。

步骤二、根据帆板当前转动位置和绝对位置，计算帆板转动角度偏差，通过归一化判断，找到帆板转动最小路径。

计算帆板转动的目标转角，计算两侧帆板的转角(包括大小和方向)：q＝目标转角Ф-绝对转角，根据两侧帆板转角得到帆板转动方向和转动角度大小，计算方法：

(1)分别计算两侧帆板的转动方向：

-Y侧：绝对转角≤180°，0°≤q≤180°：方向a＝0(正)，否则a＝1(反)；

+Y侧：绝对转角>180°，-180°≤q≤0°：方向a＝1，否则a＝0；

(2)分别计算两侧转角大小：

-Y侧：|q|≤180°，q＝|q|

+Y侧：|q|>180°，q＝360-|q|

步骤三、按照帆板对日控制精度要求，根据当前角度位置偏差设计合理控制策略，控制帆板以不同工作模式转动，避免帆板频繁停转和模式切换带来对姿态和驱动机构寿命的影响。

以-Y侧为例。

设转动标志flag初始值为0(当姿控工作模式切换或θ>＝5时进行清零)：

(1)条件：(flag＝＝1&&a＝＝1&&θ>＝2)

控制：SADA-Y转动方向为1；

记录：flag＝0

(2)条件：(flag＝＝2&&a＝＝0&&θ>＝2)

控制：SADA-Y转动方向为0

记录：flag＝0

(3)条件：flag＝＝0&&θ>＝3

控制：SADA-Y转动方向为a；

记录：a＝＝0,flag＝1；a＝＝1,flag＝2

(4)条件：其他

控制：SADA延续当前动作，设置指令序列编号为0；

记录：flag为上次值。

通过上述方法得到-Y和+Y转动方向，SADA+Y转动角度和SADA-Y转动角度为0，当flag不为0且SADA工作模式不为巡航模式时，按巡航模式转动；当flag为0且SADA工作模式不为保持模式时，SADA保持。当两侧帆板flag不一致时，根据flag分别设置两侧SADM的工作模式和转动方向。未采用该策略前的帆板停转次数如图3所示，采用该策略后帆板停转次数如图4所示，通过该策略明显减少帆板停启次数。

本发明的有益效果在于：本发明提出的帆板自主跟踪太阳控制方法，不需要星上敏感器和帆板上敏感器测量信息，简化卫星硬件配置，提出采用分区控制策略，减少了帆板频繁切换，且增加帆板遇到增量控制无法停止保护，提高了帆板控制可靠性和安全性。

本发明的优点在于方法简单，效果明显，便于工程实现，而且考虑了卫星无轨道状态下的应对措施，具有一定的鲁棒性。

附图说明

图1为帆板工作模式切换图。

图2为帆板对日控制策略流程图。

图3为帆板采用该策略前停转图。

图4为帆板采用该策略后停转图。

图5为帆板在轨控制转动角度图。

具体实施方式

下面以某高轨卫星为典型实例，结合附图详细说明本发明的优选实施例，该卫星为倾斜地球同步轨道卫星，轨道高度35786km，轨道倾角55度，偏心率≤0.005，太阳帆板安装卫星±Y侧，帆板控制控制模式切换图如图1所示。

按照说明书中控制策略，对帆板进行自主跟踪控制，在轨数据表明，帆板对日控制精度在3度以内，通过本策略明显减少模式切换次数，帆板在轨控制结果如图5所示。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (5)

1.一种可靠帆板自主跟踪太阳的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、根据卫星轨道系下太阳矢量，计算帆板需要转动目标转角，所述太阳矢量通过太阳模式和卫星位置计算得到；

步骤二、根据帆板当前转动目标转角和绝对转角，计算帆板转动角度偏差，通过归一化判断，找到帆板转动最小路径，包括转动方向和转动角度；

步骤三、按照帆板对日控制精度要求，根据当前角度位置偏差设计合理控制策略，控制帆板以不同工作模式转动，避免帆板频繁停转和帆板不同模式切换带来对姿态和驱动机构寿命的影响。

2.根据权利要求1所述的可靠帆板自主跟踪太阳的控制方法，其特征在于：

步骤一中，帆板转动目标角度的计算不依赖星上的敏感器和卫星姿态，使得帆板控制软件数据接口简单，可以独立运行，不受敏感器和姿态无效或数据异常的影响。

轨道系太阳矢量为L＝[SoxSoySoz]^T，根据姿态工作模式可知卫星目标姿态角，利用目标姿态角计算得到卫星本体系太阳矢量S_b。

目标转角定义为太阳在XOZ面的投影与各SADM零位所指轴向的夹角，顺时针方向为正，范围为[0,2π]，则-Y目标转角为：

$\mathrm{\&phi;}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}-\arccos (S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2}),S_{bx}\&le;0\\ \arccos (S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2})+\mathrm{\&pi;},S_{bx}>0\end{array}\right.$

+Y目标转角为：

$\mathrm{\&phi;}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}-\arccos (S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2}),S_{bx}\&GreaterEqual;0\\ \arccos (S_{bz}/\sqrt{{S_{bx}}^2+{S_{bz}}^2})+\mathrm{\&pi;},S_{bx}<0\end{array}\right.$

上式中，如果则采用上一周期目标角。

3.根据权利要求1所述的可靠太阳帆板自主跟踪太阳的控制方法，其特征在于：

步骤二中，将目标转角和实际转角进行归一化处理，转化成0～360°之间，求取两者的最小偏差，然后按照最短路径控制帆板转动。

4.根据权利要求1所述的可靠太阳帆板自主跟踪太阳的控制方法，其特征在于：

步骤三中，采用继电控制策略，设置不同位置分区，按照不同模式控制帆板转动，减少帆板模式切换次数和停转次数。

5.根据权利要求1所述的可靠太阳帆板自主跟踪太阳的控制方法，其特征在于：

步骤三中，为避免目标角度和帆板转角测量位置出现野值，导致帆板进入增量模式无法停止，设置保护阈值，角度位置偏差大于30度时，按照30度进行处理。