CN105928524B - 太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，基于卫星在轨运行期间杂散光与卫星本体坐标系间的矢量模型，分析出杂散光与卫星本体坐标系的矢量关系，通过建立杂散光边界曲线数学方程，解算出不受杂散光影响区域；通过边界曲线夹角关系，确定三个星敏感器可工作工况以及安装指向范围及方程，并得出为抑制杂散光星敏感器遮光罩设计最大太阳光、地气光遮蔽角之间关系；同时提出各种工况条件下不受杂光影响区域不满足双星敏安装时，在单一工况下至少有两个星敏可工作的星敏安装指向最优方案。本发明具有如下优点：为星敏感器避免杂散光影响进行安装指向及设计提供了一种有实际应用价值的设计方案。
Description
技术领域
本发明涉及航天器姿态测量领域，具体涉及一种太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法。
背景技术
星敏感器作为航天器姿态测量器件，以恒星作为姿态测量参考基准，与其它卫星姿态敏感器件(太阳敏感器、陀螺、磁强计等)相比具有精度高、无漂移、功耗低，并且输出绝对姿态信息的优点，是当前应用最广泛的姿态敏感器。在卫星运行过程中，星敏感器有可能受到太阳光或地气光的干扰，使星敏感器的像面背景噪声提高，影响星点提取的准确性，甚至星点会被淹没在背景杂光中，导致星敏感器无法正常工作。因此，星敏感器的抗杂散光问题是目前星敏感器研究的一项重要内容。
在星敏感器杂散光抑制方面，一方面可以通过设计星敏感器光学镜头、遮光罩结构或改变遮光罩内壁涂层材料提高星敏感器自身的抗杂散光性能，另一方面可以通过分析和优化星敏感器在卫星上的安装位置来尽量避免杂散光对星敏感器的影响。相比于单视场、双视场星敏感器，三视场星敏感器具有可测视场角大、精度及可靠性高等优点。为提高星敏感器性能，国外研究机构对多视场星敏感器进行了大量研究，如法国SODERN公司研发了HYDRA三视场星敏感器，并进行了商业化；日本三菱电机公司研发了SIS三视场星敏感器，并进行了实际在轨应用。由于太阳同步轨道卫星三视场星敏感器运行与轨道高度、降交点地方时、卫星工况等条件有关，各种工况条件下航天器不受杂散光影响区域十分有限，为使三视场星敏感器在各种工况条件下正常工作，其在航天器上安装条件十分苛刻，甚至无法实现。为此，为保证姿态测量精度，至少保证有两个星敏感器可在任何工况下正常工作，第三星敏感器在特定工况条件下使用。三视场星敏感器在测量精度及可靠性方面具有明显优势，是星敏感器技术发展的重要方向之一。
在星敏感器安装指向方法研究方面，有许多研究机构针对实际应用提出了设计方法，其中，针对卫星多种工况姿态条件，2010年航天东方红公司提出了基于任务规划的星敏感器安装角度确定方法可以解决敏捷机动工况下给定星敏感器安装指向问题，但该方法通过不断调整星敏感器的安装角度和工况条件确定出合适的星敏感器安装角度，设计方法十分复杂，同时不能给出在不同安装指向条件下星敏感器遮光罩最大太阳光、地气光遮蔽角。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，包括以下步骤：S1：设置太阳同步轨道参数、卫星参数、STK软件中HPOP阻力模型参数；S2：在STK软件中进行HPOP仿真，确定卫星在轨运行期间太阳光与卫星本体坐标系三轴矢量夹角，其中，对于卫星本体坐标系，Z轴指向地心，X轴为卫星前进方向，Y轴由右手定则确定，α为太阳光与X轴夹角，β为太阳光与Y轴夹角，γ为太阳光与Z轴夹角；S3:根据地球半径、大气层高度计算确定地气光与卫星本体边界夹角；S4：根据所述卫星在轨运行期间太阳光与卫星本体坐标系三轴矢量夹角，确定所述卫星在无机动状态下，太阳光相对卫星本体坐标系边界数学方程；根据所述地气光与卫星本体边界夹角确定所述卫星在无机动状态下，地气光相对卫星本体坐标系边界数学方程；S5：设置卫星机动状态下最大侧摆角和俯仰角，根据坐标系旋转矩阵确定所述卫星在不同机动状态下太阳光、地气光相对卫星本体坐标系边界曲线数学方程，以及各种工况条件下卫星本体坐标系不受杂光影响区域；S6：判断各种工况条件下不受杂光影响区域能否满足双视场星敏感器安装，如可以，根据方程所述卫星在各种工况状态下，太阳光相对卫星本体坐标系边界数学方程、地气光相对卫星本体坐标系边界数学方程，分析杂散光边界夹角关系，确定互相垂直双视场星敏感器安装条件下为避免杂散光影响星敏感器安装指向范围数学方程，其中ω为双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面角度；S7：根据双视场星敏感器安装平面与卫星本体坐标系XY平面夹角与ω关系方程确定双视场星敏感器安装平面与卫星本体坐标系XY平面夹角范围及其与ω关系；根据关系式计算太阳光最大遮蔽角；根据关系式极值点z<0和极值点z>0计算地气光最大遮蔽角；其中，S_max为太阳光最大遮蔽角，E_max为地气光最大遮蔽角，为双视场星敏感器安装平面与卫星本体坐标系XY平面夹角，θ为极值点所在指向Z平面投影线与Z轴夹角，同时，极值点为星敏感器不同指向太阳光/地气光边界曲线在其轴线上最高投影点；S8：确定在各种工况互相垂直双视场星敏感器正常工作条件下，第三视场星敏感器可工作工况及安装指向数学方程；S9：确定第三视场星敏感器遮光罩最大太阳光遮蔽角与地气光遮蔽角关系，根据遮光罩设计原则判断最优安装区间是否满足设计要求；若满足设计要求，设计结束；若不满足设计要求，执行步骤S5，重新设置卫星机动状态下最大侧摆角、俯仰角；以及S10：随卫星侧摆角增大双视场星敏感器不能在各种工况条件下不受杂散光影响而进行正常工作时，Ⅰ在卫星左侧摆及正常工况情况下有两个星敏感器可正常工作，Ⅱ在卫星右侧摆及正常工况情况下有两个星敏感器可正常工作，Ⅲ在卫星左侧摆及右侧摆工况情况下有两个星敏感器可正常工作。
根据本发明实施例的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，有效解决太阳同步轨道航天器所安装三视场星敏感器为避免杂散光影响安装指向问题，为星敏感器遮光罩设计及多视场星敏感器安装指向提供了理论基础。
另外，根据本发明上述实施例的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，在步骤S1中，所述太阳同步轨道参数包括高度h、降交点地方时T、在轨运行周期t；所述卫星参数包括卫星质量M、卫星体积V；所述STK软件中HPOP阻力模型参数包括大气阻力Cd、太阳光压Cr、卫星面质比A/M和地磁力Kp，其中，所述卫星面质比A/M为1/4卫星表面积S与质量M的比值。
进一步地，步骤S3进一步包括：设置地球半径Re，大气层高度d，根据γatm＝asin((Re+d)/h)，计算确定地气光与卫星本体边界夹角γatm。
进一步地，在步骤S5中，所述卫星的机动状态包括左侧摆、右侧摆、前仰和后仰。
进一步地，步骤S6进一步包括：所述三视场星敏感器中前两星敏感器相互垂直，首先确定双视场星敏感器安装指向，然后确定第三星敏感器工作工况及安装指向，其中，所述双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面ω角与球面交线方程为：联合所述双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面ω角与球面交线方程与卫星左侧摆及前侧摆地气光边界曲线方程求解：星敏感器安装线与相应地气光边界曲线交点与卫星本体坐标系原点的连线与Z轴的夹角ε；联合所述双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面ω角与球面交线方程与卫星右侧摆太阳光边界曲线方程求解：星敏感器安装线与相应太阳光边界曲线交点与卫星本体坐标系原点的连线与Z轴的夹角δ；星敏感器安装指向与YZ平面成η角，星敏感器安装线与Z轴夹角范围为：sinδ～sinε，双视场星敏感器安装指向范围曲线方程分别为：
进一步地，步骤S8进一步包括：第三星敏感器安装指向在卫星本体坐标系-Y-Z平面内，判断第三星敏感器可工作工况，以及为使第三星敏感器使用效率最大化其可工作工况范围，计算该范围太阳光边界在-Y-Z平面与Y轴夹角σs，地气光边界在-Y-Z平面与Y轴夹角σe，第三星敏感器安装指向曲线方程如下：
进一步地，步骤S9进一步包括：第三星敏感器太阳光最大遮蔽角S_max＝σ-σs；第三星敏感器地气光最大遮蔽角E_max＝σe-σ。
进一步地，步骤S10进一步包括：
在卫星左侧摆及正常工况下，星敏感器可安装指向区域包含：①卫星左侧摆地气光边界曲线到卫星正常工况太阳光左侧边界曲线之间，②卫星正常工况地气光边界曲线到卫星左侧摆太阳光边界曲线之间；
在卫星右侧摆及正常工况下，星敏感器可安装指向区域包含：③卫星正常工况地气光边界曲线到卫星右侧摆太阳光边界曲线之间，④卫星正常工况太阳光右侧边界曲线到卫星右侧摆地气光边界曲线之间；
在卫星左侧摆及右侧摆工况下，星敏感器可安装指向区域包含：⑤卫星正常工况太阳光两边界曲线之间；
当区域④满足星敏感器安装时，双视场星敏感器最优区域为①和④，第三星敏感器指向区域⑤；当区域④不能满足星敏感器安装时，双视场星敏感器最优指向区域为①和③，第三星敏感器指向区域⑤。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的太阳光相对卫星本体坐标系示意图；
图3是本发明一个实施例的三年在轨运行期间太阳光与卫星本体坐标系关系模型；
图4是本发明一个实施例的卫星无机动状态下太阳光边界曲线与卫星本体坐标系关系图；
图5是本发明一个实施例的卫星无机动状态下地气光边界曲线与卫星本体坐标系关系图；
图6是本发明一个实施例的卫星不同工况下太阳光、地气光边界曲线在YZ平面投影；
图7是本发明一个实施例的卫星不同工况下太阳光、地气光边界曲线在XZ平面投影；
图8是本发明一个实施例的不同安装偏角情况下太阳光、地气光与Z轴夹角；
图9是本发明一个实施例的互相垂直双视场星敏感器安装指向线与Z轴夹角；
图10是本发明一个实施例的互相垂直双视场星敏感器遮光罩最大太阳遮蔽角与最大地气光遮蔽角关系图；
图11是本发明一个实施例的三视场星敏感器安装指向示例图。
图12是本发明一个实施例太阳同步轨道高度535km、10:30轨道卫星在左右摆动及前后摆动均为45°情况下，卫星本体坐标系受杂散光影响及三星敏安装指向区域示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法。
请参考图1，一种太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，包括以下步骤：
S1：设置太阳同步轨道参数：包括高度h、降交点地方时T、在轨运行周期t；卫星参数：包括卫星质量M、卫星体积V；STK(Satellite Tool Kit)软件中HPOP(高精度轨道预报)阻力模型参数：包括大气阻力Cd、太阳光压Cr、卫星面质比A/M、地磁力Kp，其中卫星面质比A/M为1/4卫星表面积S与质量M的比值。
具体地，考虑卫星对地成像、所受摄动及阻力因素，本实施例设置卫星轨道高度h为700km；同时考虑对地观测成像，本实施例设置降交点地方时T为受光照较为复杂的10:30轨道；本实施例设置卫星运行周期t为3年。
本实施例设置卫星质量M为20.5kg，卫星体积V为324*360*400mm。
本实施例设置大气阻力Cd为2.2，太阳光压Cr为1.0，地磁力Kp为3.0，根据卫星面质比A/M为1/4卫星表面积S与质量M的比值，计算可得卫星面质比A/M≈0.01。
S2：在STK(Satellite Tool Kit)中进行HPOP(高精度轨道预报)仿真，确定卫星在轨运行期间太阳光与卫星本体坐标系三轴矢量夹角，其中，对于卫星本体坐标系，Z轴指向地心，X轴为卫星前进方向，Y轴由右手定则确定，α为太阳光与X轴夹角，β为太阳光与Y轴夹角，γ为太阳光与Z轴夹角。
具体地，本实施例中，对于卫星本体坐标系，Z轴指向地心，X轴为卫星前进方向，Y轴由右手定则确定，α为太阳光与X轴夹角，β为太阳光与Y轴夹角，γ为太阳光与Z轴夹角，如图2所示。根据步骤S1参数设置，本实施例通过STK软件得出卫星在轨运行3年间太阳光与卫星本体坐标系三轴矢量夹角，其中，太阳光与X轴向矢量夹角余弦最大值αmax为0.9946，最小值αmin为-0.9946，因此太阳光与X轴夹角范围为5.9620°～174.0470°；太阳光与Y轴向矢量夹角余弦最大值βmax为-0.0841，最小值βmin为-0.4537，因此太阳光与Y轴夹角范围为94.8270°～116.9830°；太阳光与Z轴向矢量夹角余弦最大值γmax为0.4376，最小值γmin为-0.9914，因此太阳光与Y轴夹角范围为64.0470°～172.4730°。将各时刻太阳光矢量方向在卫星本体坐标系中描述出来，如图3所示，光点表示太阳光相对于卫星本体坐标系原点的来光矢量方向。
S3:设置地球半径Re，大气层高度d，根据γatm＝asin((Re+d)/h)，计算确定地气光与卫星本体边界夹角γatm，即与Z轴正方向夹角。
具体地，由于地心引力作用，几乎全部气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75％的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内。本实施例设定大气层高度d＝100km，地球半径Re＝6378km。根据关系式γatm＝asin((Re+d)/h)，将上述参数代入上式计算可得地气光与卫星本体边界夹角(即与Z轴正方向夹角)γatm为66.24°，考虑半长轴变化，本实施例采用67°(对应659.44km)冗余设计。
S4.根据步骤S2中卫星在轨运行期间太阳光与卫星本体坐标系三轴矢量夹角，确定卫星无机动状态下太阳光相对卫星本体坐标系边界数学方程；根据步骤S3确定卫星无机动状态下地气光相对卫星本体坐标系边界数学方程。
具体地，卫星无机动工作状态下，太阳光边界方程通过步骤S2中太阳光与卫星本体坐标系各轴夹角极值确定，根据步骤S2分析，太阳光在卫星本体坐标系边界方程由两条曲线构成，分别如下公式，其中z<0.4376，θ1＝94.8270°，θ2＝116.9830°，如图4。
由于卫星本体坐标系Z轴始终指向地心，因此，卫星无机动状态下地气光边界可通过不同轨道高度地气光半锥角直接确定，地气光在卫星本体坐标系边界方程如下公式，其中θ＝67°，如图5。
S5：设置卫星机动状态下最大侧摆角、俯仰角，根据坐标系旋转矩阵确定卫星在不同机动状态下(左侧摆、右侧摆、前仰、后仰)太阳光、地气光相对卫星本体坐标系边界曲线数学方程，以及各种工况条件下卫星本体坐标系不受杂光影响区域。
具体地，本实施例定义卫星前摆为：卫星绕本体坐标系绕Y轴由+X向-Z轴向偏转，最大偏转角为-30°；卫星后摆为：卫星绕本体坐标系绕Y轴由+X向+Z轴向偏转，最大偏转角为30°。本实施例定义卫星左侧摆：卫星绕本体坐标系绕X轴由-Y向-Z轴向偏转，最大偏转角为30°；右侧摆：卫星绕本体坐标系绕X轴由-Y向+Z轴向偏转，最大偏转角为30°。
卫星左侧摆30°地气光边界曲线方程等价于步骤S4中地气光边界方程(3)绕X轴旋转-30°，经旋转矩阵变换后，如下式：
卫星左侧摆30°太阳光边界曲线方程等价于步骤S4中太阳光边界方程(1)、(2)绕X轴旋转-30°，只需分析其左侧边界曲线(1)的影响，经旋转矩阵变换后，如下式：
卫星右侧摆30°地气光边界曲线方程等价于步骤S4中地气光边界方程(3)绕X轴旋转+30°，经旋转矩阵变换后，如下式：
卫星右侧摆30°太阳光边界曲线方程等价于步骤S4中太阳光边界方程(1)、(2)绕X轴旋转+30°，只需分析其右侧边界曲线(2)的影响，经旋转矩阵变换后，如下式：
卫星前摆30°地气光边界曲线方程等价于步骤S4中地气光边界方程(3)绕Y轴旋转-30°，经旋转矩阵变换后，如下式：
卫星前摆30°太阳光边界曲线方程等价于步骤S4中太阳光边界方程(1)、(2)绕Y轴旋转-30°，太阳光相对卫星本体坐标系的影响区域在地气光覆盖范围内，不需分析。
卫星后摆30°地气光边界曲线方程等价于步骤S4中地气光边界方程(3)绕Y轴旋转30°，经旋转矩阵变换后，如下式：
卫星后摆30°太阳光边界曲线方程等价于步骤S4中太阳光边界方程(1)、(2)绕Y轴旋转-30°，太阳光相对卫星本体坐标系的影响区域在地气光覆盖范围内，不需分析。
根据步骤S4和S5上述部分对太阳光、地气光在各种工况下的边界方程的提取及变换，可得出在各种工况下卫星本体坐标系不受太阳光、地气光干扰的区域，边界曲线在卫星本体YZ平面投影如图6，可知不受干扰光影响区域共两部分，夹角范围分别为57.8°和26°。本实施例设置星敏感器视场角为15°，因此，57.8°范围区域满足双视场星敏感器安装条件，26°范围区域不满足星敏感器安装最小条件。边界曲线在XZ平面投影如图7，可知不受干扰区域由卫星右侧摆地气光边界曲线(6)、卫星左侧摆太阳光边界曲线(5)、卫星后侧摆地气光边界曲线(9)和卫星前侧摆地气光边界曲线(8)构成。
S6.根据方程与步骤S4、S5确定的边界方程，分析杂散光边界夹角关系，确定双视场星敏感器安装条件下为避免杂散光影响星敏感器安装指向范围数学方程，其中ω为双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面角度。
具体地，本实施例三视场星敏感器中两个星敏感器相互垂直，首先确定互相垂直的双视场星敏感器安装指向，然后确定第三星敏感器工作工况及安装指向。为使双视场星敏感器在卫星各种工况下可同时正常工作，双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面ω与球面交线方程为：
联立方程(10)与卫星前侧摆地气光边界曲线方程(8)、左侧摆地气光边界曲线方程(6)可求解：星敏感器安装线与相应地气光边界曲线交点与卫星本体坐标系原点的连线与Z轴的夹角ε；同时，联立方程(10)与卫星右侧摆太阳光边界曲线方程(5)可求解：星敏感器安装线与相应太阳光边界曲线交点与卫星本体坐标系原点的连线与Z轴的夹角δ，如图8。随着星敏感器指向绕Z轴偏离卫星本体坐标系YZ平面角度的增大，太阳光边界曲线与地气光边界曲线夹角逐渐减小。因此，星敏感器安装指向与YZ平面夹角η为45°，45°星敏感器安装线与Z轴夹角范围sinδ～sinε为：sin(-41.01°)～sin(2.696°)，如图9。45°双视场星敏感器安装指向范围曲线方程分别为：
S7.确定双视场星敏感器最大太阳光遮蔽角、地气光遮蔽角关系，确定为避免杂散光影响双视场星敏感器指向范围。
具体地，根据双视场星敏感器安装平面与XY平面夹角与双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面角度ω关系方程：
计算可得双视场星敏感器安装面与Z轴夹角范围为-65°～3°，其中为星敏感器安装线与YZ平面夹角，本实施例为45°，ω为双视场星敏感器安装面与XY平面夹角。
最大太阳遮蔽角可由双视场星敏感器安装平面与XY平面夹角太阳光极值点投影线与X轴夹角θ求得，太阳最大遮蔽角与太阳光最大遮蔽角计算类似，地气光最大遮蔽角也由上述关系解算得出，当极值点Z坐标小于0时，地气光最大遮蔽角当极值点Z坐标大于0时，地气光最大遮蔽角根据上述计算，遮光罩最大太阳遮蔽角与最大地气光遮蔽角的关系如图10。
由于太阳光强远高于地气光，太阳遮蔽角需大于地气光遮蔽角，因此双视场星敏感器安装指向平面与XY平面夹角应大于-32°，同时，本实施例星敏感器视场角为15°，设计地气光遮蔽角不小于10°，由图10可知，双视场星敏感器安装指向平面与XY平面夹角应小于-11°。因此，双视场星敏感器安装指向平面与XY平面最优夹角在-32°～-11°之间。
S8：确定在各种工况双视场星敏感器正常工作条件下，第三视场星敏感器可工作工况及安装指向数学方程。
具体地，本实施例第三星敏感器安装指向在卫星本体坐标系-Y-Z平面内，如图11。由步骤S5可知，各种工况下不受干扰光影响区域共两部分，在-Y-Z平面内的部分为26°，由于本实施例星敏感器视场角为15°，该部分在各种工况下不受杂光影响条件下无法安装星敏感器。因此，该部分所安装星敏感器只能在部分工况下使用。
正常工况条件下杂光对卫星本体坐标系的影响区域介于卫星左侧摆和右侧摆工况之间，其中在左侧摆工况条件下，星敏感器指向会受到卫星前后摆工况条件下杂光影响。为使第三星敏感器使用效率最大化，第三星敏感器安装指向应在卫星右侧摆及正常工况条件下可正常使用，由图11可知，在该条件下第三星敏感器安装指向边界曲线为卫星正常工况太阳光右侧曲线、卫星右侧摆地气光边界曲线。该区域太阳光边界在-Y-Z平面与Y轴夹角σs为117°，地气光边界在-Y-Z平面与Y轴夹角σe为173°,因此该区域在-Y-Z平面与Y轴夹角范围σ为117°～173°。
第三星敏感器安装指向曲线方程如下：
S9.确定第三视场星敏感器遮光罩最大太阳光遮蔽角与地气光遮蔽角关系，根据遮光罩设计原则判断安装区间是否满足设计要求；若满足设计要求，设计结束；若不满足设计要求，执行步骤S5，重新设置卫星机动状态下最大侧摆角、俯仰角。
具体地，双视场星敏感器遮光罩最大太阳光、地气光遮蔽角可由步骤S7得出，在卫星右侧摆工况下，第三星敏感器太阳光最大遮蔽角S_max＝σ-σs；第三星敏感器地气光最大遮蔽角E_max＝σe-σ。具体星敏感器安装平面指向需与星敏感器遮光罩设计要求相结合。若满足遮光罩尺寸及遮光性能设计要求，设计结束；若不满足遮光罩尺寸及遮光性能设计要求，执行步骤S5，适当减小卫星机动状态下最大侧摆角、俯仰角。
S10：随卫星侧摆角增大，卫星各种工况条件下不受杂散光影响区域逐渐减小，当该区域不满足双视场星敏感器安装条件时，双视场星敏感器不能在各种工况条件下不受杂散光影响而进行正常工作。为保证在不同工况条件下至少有两个星敏感器可正常工作，需对星敏感器指向进行优化。
卫星正常工况受杂散光影响区域处于卫星左侧摆及右侧摆之间，当不满足任何工况双视场星敏感器可同时工作条件时，为使星敏感器使用效率最大化，需保证：Ⅰ在卫星左侧摆及正常工况情况下有两个星敏感器可正常工作，Ⅱ在卫星右侧摆及正常工况情况下有两个星敏感器可正常工作，Ⅲ在卫星左侧摆及右侧摆工况情况下有两个星敏感器可正常工作。
在卫星左侧摆及正常工况下，星敏感器可安装指向区域包含：①卫星左侧摆地气光边界曲线到卫星正常工况太阳光左侧边界曲线之间，②卫星正常工况地气光边界曲线到卫星左侧摆太阳光边界曲线之间。
在卫星右侧摆及正常工况下，星敏感器可安装指向区域包含：③卫星正常工况地气光边界曲线到卫星右侧摆太阳光边界曲线之间，④卫星正常工况太阳光右侧边界曲线到卫星右侧摆地气光边界曲线之间。
在卫星左侧摆及右侧摆工况下，星敏感器可安装指向区域包含：⑤卫星正常工况太阳光两边界曲线之间。
以上三种星敏感器指向在卫星本体坐标系YZ平面内安装其遮光罩最大太阳光遮蔽角、最大地气光遮蔽角设计可达到最优。为使双视场星敏感器垂直安装，同时避免卫星前后摆动地气光对星敏感器的影响，其最优安装区域为①和④，第三星敏感器指向区域⑤。但随侧摆角的不断增大，各区域安装区域逐渐减小，当区域④不能满足星敏感器安装时，双视场星敏感器最优指向区域为①和③，第三星敏感器指向区域⑤。
图12为太阳同步轨道高度535km、10:30轨道卫星在左右摆动及前后摆动均为45°情况下，卫星本体坐标系受杂散光影响示意图。在卫星左侧摆及正常工况下，星敏感器安装指向区域包含在YZ平面内区域①及区域②；在卫星右侧摆及正常工况下，星敏感器安装指向区域包含在YZ平面内区域③及区域④；在卫星左侧摆及右侧摆工况下，星敏感器安装指向区域包含在YZ平面内区域⑤。为使双视场星敏感器垂直安装，同时避免卫星前后摆动地气光对星敏感器的影响，其最优安装区域为①和④，第三星敏感器指向区域⑤。同时随侧摆角的不断增大，各区域安装区域逐渐减小，当区域④不能满足星敏感器安装时，双星敏感器最优指向区域为①和③，第三星敏感器指向区域⑤。
根据本发明实施例的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，可以有效解决太阳同步轨道航天器所安装三视场星敏感器为避免杂散光(太阳光、地气光)影响安装指向问题，同时为不同安装指向条件下三视场星敏感器遮光罩最大太阳光、地气光遮蔽角设计提供理论依据。为星敏感器避免杂散光影响进行安装指向及设计提供了一种有实际应用价值的设计方案。
另外，本发明实施例的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (8)
1.一种太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置太阳同步轨道参数、卫星参数、STK软件中HPOP阻力模型参数；
S2：在STK软件中进行HPOP仿真，确定卫星在轨运行期间太阳光与卫星本体坐标系三轴矢量夹角，其中，对于卫星本体坐标系，Z轴指向地心，X轴为卫星前进方向，Y轴由右手定则确定，α为太阳光与X轴夹角，β为太阳光与Y轴夹角，γ为太阳光与Z轴夹角；
S3:根据地球半径、大气层高度计算确定地气光与卫星本体边界夹角；
S4：根据所述卫星在轨运行期间太阳光与卫星本体坐标系三轴矢量夹角，确定所述卫星在无机动状态下，太阳光相对卫星本体坐标系边界数学方程；根据所述地气光与卫星本体边界夹角确定所述卫星在无机动状态下，地气光相对卫星本体坐标系边界数学方程；
S5：设置卫星机动状态下最大侧摆角和俯仰角，根据坐标系旋转矩阵确定所述卫星在不同机动状态下太阳光、地气光相对卫星本体坐标系边界曲线数学方程，以及各种工况条件下卫星本体坐标系不受杂光影响区域；
S6：判断各种工况条件下不受杂光影响区域能否满足双视场星敏感器安装，如可以，根据方程所述卫星在各种工况状态下，太阳光相对卫星本体坐标系边界数学方程、地气光相对卫星本体坐标系边界数学方程，分析杂散光边界夹角关系，确定互相垂直双视场星敏感器安装条件下为避免杂散光影响星敏感器安装指向范围数学方程，其中ω为双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面角度；如果各种工况条件下不受杂光影响区域不能满足双视场星敏感器安装，则判断能否调整卫星工况，如果可以则返回步骤S5，否则进入步骤S10；
S7：根据双视场星敏感器安装平面与卫星本体坐标系XY平面夹角与ω关系方程确定双视场星敏感器安装平面与卫星本体坐标系XY平面夹角范围及其与ω关系；
根据关系式计算太阳光最大遮蔽角；根据关系式极值点z<0和极值点z>0计算地气光最大遮蔽角；
其中，S_max为太阳光最大遮蔽角，E_max为地气光最大遮蔽角，为双视场星敏感器安装平面与卫星本体坐标系XY平面夹角，θ为极值点所在指向Z平面投影线与Z轴夹角，同时，极值点为星敏感器不同指向太阳光/地气光边界曲线在其轴线上最高投影点；
S8：确定在各种工况互相垂直双视场星敏感器正常工作条件下，第三视场星敏感器可工作工况及安装指向数学方程；
S9：确定第三视场星敏感器遮光罩最大太阳光遮蔽角与地气光遮蔽角关系，根据遮光罩设计原则判断安装区间是否满足设计要求；若满足设计要求，设计结束；若不满足设计要求，如可进行工况调整，执行步骤S5，重新设置卫星机动状态下最大侧摆角、俯仰角；如不可进行工况调整，执行步骤S10；以及S10.随卫星侧摆角增大双视场星敏感器不能在各种工况条件下不受杂散光影响而进行正常工作时，Ⅰ在卫星左侧摆及正常工况情况下有两个星敏感器可正常工作，Ⅱ在卫星右侧摆及正常工况情况下有两个星敏感器可正常工作，Ⅲ在卫星左侧摆及右侧摆工况情况下有两个星敏感器可正常工作。
2.根据权利要求1所述的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述太阳同步轨道参数包括高度h、降交点地方时T、在轨运行周期t；
所述卫星参数包括卫星质量M、卫星体积V；
所述STK软件中HPOP阻力模型参数包括大气阻力Cd、太阳光压Cr、卫星面质比A/M和地磁力Kp，其中，所述卫星面质比A/M为1/4卫星表面积S与质量M的比值。
3.根据权利要求2所述的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：
设置地球半径Re，大气层高度d，根据γatm＝asin((Re+d)/h)，计算确定地气光与卫星本体边界夹角γatm。
4.根据权利要求3所述的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，在步骤S5中，所述卫星的机动状态包括左侧摆、右侧摆、前仰和后仰。
5.根据权利要求4所述的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，步骤S6进一步包括：
所述三视场星敏感器中前两星敏感器指向相互垂直，然后确定第三星敏感器可工作工况及安装指向方程，其中，所述双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面ω与球面交线方程为：
联合所述双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面ω与球面交线方程与卫星左侧摆及前侧摆地气光边界曲线方程求解：星敏感器安装线与相应地气光边界曲线交点与卫星本体坐标系原点的连线与Z轴的夹角ε；
联合所述双视场星敏感器单视场指向偏离YZ平面ω与球面交线方程与卫星右侧摆太阳光边界曲线方程求解：星敏感器安装线与相应太阳光边界曲线交点与卫星本体坐标系原点的连线与Z轴的夹角δ；
星敏感器安装指向与YZ平面成η角，η角星敏感器安装线与Z轴夹角范围为：sinδ～sinε，双视场星敏感器安装指向范围方程分别为：
6.根据权利要求5所述的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，步骤S8进一步包括：
所述第三星敏感器安装指向范围在卫星本体坐标系-Y-Z平面内；
判断第三星敏感器可工作工况，以及为使第三星敏感器使用效率最大化其可工作工况范围，计算该范围太阳光边界在-Y-Z平面与Y轴夹角σs，地气光边界在-Y-Z平面与Y轴夹角σe，第三星敏感器安装指向曲线方程如下：
7.根据权利要求6所述的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，步骤S9进一步包括：
第三星敏感器太阳光最大遮蔽角S_max＝σ-σs，σ表示第三星敏感器在-Y-Z平面与Y轴夹角范围；第三星敏感器地气光最大遮蔽角E_max＝σe-σ。
8.根据权利要求7所述的太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法，其特征在于，步骤S10进一步包括：
在卫星左侧摆及正常工况下，星敏感器可安装指向区域包含：①卫星左侧摆地气光边界曲线到卫星正常工况太阳光左侧边界曲线之间，②卫星正常工况地气光边界曲线到卫星左侧摆太阳光边界曲线之间；
在卫星右侧摆及正常工况下，星敏感器可安装指向区域包含：③卫星正常工况地气光边界曲线到卫星右侧摆太阳光边界曲线之间，④卫星正常工况太阳光右侧边界曲线到卫星右侧摆地气光边界曲线之间；
在卫星左侧摆及右侧摆工况下，星敏感器可安装指向区域包含：⑤卫星正常工况太阳光两边界曲线之间；
双视场星敏感器垂直安装最优区域为①和④，第三星敏感器指向区域⑤；当区域④不能满足星敏感器安装时，双视场星敏感器最优指向区域为①和③，第三星敏感器指向区域⑤。
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