CN108920829A - 一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法 - Google Patents

Abstract

一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，针对现有技术中大型网状天线结构尺寸大、构型工艺复杂，且在地面难以进行展开试验问题，通过根据卫星本体、太阳翼和与网状天线于不同坐标系中的位置坐标，利用投影及反投影确定重叠情况，并基于空间坐标变换方法进一步实时判别卫星部件在轨遮挡关系，同时计算反投影模型的受光率最终确定太阳光压力矩，步骤简洁清晰，计算精度高，方法可靠性好。

Description

一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法

技术领域

本发明属于航天器总体设计技术领域，涉及一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法。

背景技术

随着航天技术的快速发展，一类带有大型可展开桁架式网状天线的航天器相继立项、研制和发射。大型网状天线结构尺寸大、构型工艺复杂，且在地面难以进行展开试验。因而如何精确计算带大型网状天线的卫星在轨所受的太阳辐射光压力矩成为了一个难题。

目前计算卫星太阳光压力矩的主流方法是将卫星视作卫星本体、多块矩形面太阳翼、多块椭圆面天线模型，而后根据三个部分与太阳光矢量的关系，分别计算太阳辐射光压力矩并合成。该方法由于卫星本体、太阳翼和与网状天线模型简单，遮挡算法不精确，比较适合应用于具有小型固面天线的卫星太阳光压力矩的计算，对于带有大型网状天线卫星的太阳翼遮挡面积无法准确统计，太阳光压计算结果误差大，无法对整星设计提供有力支持。一些文献提出利用有限元思想，将卫星模型表面进行离散化，而后求每个微小单元的力矩并合成，该类方法精度更高，且能够计算微元间的遮挡，是以后计算太阳光压力矩方法的发展方向，但如何对卫星模型进行离散化和计算，目前尚没有统一的手段。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提出一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，解决了现有计算卫星太阳光力矩算法只能适用于小型固面天线卫星的问题，能够计算带大型网状天线的复杂卫星太阳光压力矩及判断卫星各部分遮挡情况实现卫星太阳光压、太阳翼遮挡面积的精确计算，为卫星整星设计提供有力支持。

本发明的技术解决方案是：

一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，具体步骤如下：

(1)建立网状天线卫星模型，于卫星本体系中提取卫星各部件模型坐标位置信息及矢量信息，并获取卫星定轨参数，卫星姿态参数，运行时间参数；

(2)根据步骤(1)所得的卫星定轨参数、卫星姿态参数、运行时间参数计算此时太阳矢量在卫星本体系下的投影；

(3)建立投影坐标系，并获取卫星各部件模型于投影坐标系上的模型投影；

(4)根据步骤(2)所得太阳矢量在卫星本体系下的投影，确定步骤(3) 所得的各部件模型投影之间的重叠关系；

(5)根据步骤(4)所得各部件模型投影的重叠关系、重叠部分位置坐标及太阳矢量方向进行反投影，并记录反投影后各部件模型于卫星本体系内的位置坐标、面积、高度信息，同时根据高度信息确定反投影后所得各部件模型的遮挡关系并计算反投影模型的受光率；

(6)根据步骤(5)计算所得受光率、各部件模型于卫星本体系内的位置坐标及面积、步骤(1)所得卫星轨道参数计算该部件模型的太阳光压力矩。

所述步骤(3)中，获取卫星各部件模型于投影坐标系上的模型投影的具体方法为：

(s1)以卫星本体系原点为原点，选取与太阳矢量方向垂直的法平面并以与太阳矢量方向相反的方向作为z轴建立投影坐标系；

(s2)通过步骤(1)所得卫星模型坐标位置信息于投影坐标系中进行模型投影同时获取模型投影坐标位置信息，选取模型投影中卫星部件边缘值并根据所选边缘值确定投影面包络；

(s3)对步骤(s2)所得投影面包络进行投影面网格划分，并获取划分后投影面包络的网格数、网格面积、网格中心点坐标，并根据此时太阳矢量及卫星各部件模型坐标位置于划分后的投影面网格上进行投影。

所述步骤(4)中，确定各部件模型投影的重叠关系的具体方法为：根据步骤(3)所得模型投影于投影面包络网格中的网格位置信息进行判断，当相同坐标位置的网格被重复选取时，该网格位置存在重叠关系，此时记录重叠面投影模型所处网格位置的坐标位置信息。

所述步骤(5)中，确定反投影后卫星部件遮挡关系的具体方法为：

(b1)对投影坐标系中具有重叠关系的投影模型于卫星本体系中进行反投影，记录反投影后所得卫星部件模型的坐标位置、面积、高度；

(b2)根据步骤(b1)所得反投影卫星部件模型信息判断卫星部件遮挡关系，判据如下：

根据所得卫星部件反投影模型的高度判断卫星部件表面的遮挡顺序，其中，高度最大的卫星部件表面距离太阳最近，对其余部件造成遮挡，同时根据反投影模型形状判断卫星部件的具体遮挡位置。

所述步骤(5)中，计算反投影模型的受光率的方法如下：

式中，当卫星部件表面排序在第一位时，为1；卫星部件表面被遮挡时，利用上述公式进行计算；

其中，为当前卫星部件表面的受光率，为高度较当前部件表面高的卫星部件表面的受光率，为高度较当前部件表面高的卫星部件表面的遮光率，对于不透光的部件，该值为1；对于透光部件，该值取值区间(0,1)。

利用步骤(5)计算所得卫星部件模型的受光率计算所述卫星部件模型的太阳光压力矩的方法为：

dM＝r×dF

式中，dM为卫星部件模型于卫星本体坐标系中受到的太阳光压力矩，r为反投影模型相对于卫星质心的距离矢量，dF为反投影模型受到的太阳光压力，p为太阳辐射压力平均压强，为反投影模型的受光率，d_A为反投影模型的面积，S为反投影模型的正向矢量，N为太阳光的负向矢量太阳方位矢量，θ为反投影模型所在卫星部件表面正向矢量与太阳光的负向矢量的夹角，计算方法为c_α为反投影模型所在卫星部件表面的太阳光吸收率，c_rd为反投影模型所在卫星部件表面的太阳光漫反射率，c_rs为反投影模型所在卫星部件表面的太阳光镜反射率，其中，c_α+c_rd+c_rs＝1，H为反投影函数，

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出了一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，能够通过两个坐标系间投影与反投影坐标位置信息的转换实现卫星本体、太阳翼、天线和大型网状天线之间遮挡关系的精确计算，可以统计出不同工况下大型网状天线对太阳翼电池片遮挡情况，再通过受光率精确计算太阳光压力矩的计算，能有效支持整星功率的预算和供配电分系统设计。

(2)本发明能够对基于大型网状天线卫星在轨各种工况下的太阳光压力矩进行精确计算，其作为卫星控制分系统设计输入参数，直接影响控制分系统方案的有效性，并对卫星在轨动量轮卸载策略产生影响，计算步骤精确，方法可靠性高。

附图说明

图1为本发明提供的计算方法流程图；

图2为本发明提供的提取STL文件参数；

图3为本发明提供的实施例卫星部件重叠情况示意图；

图4为本发明提供的卫星遥测数据对比图；

图5为本发明提供的太阳压力矩计算结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

卫星在轨太阳光压计算基本原理在于根据时间确定太阳与卫星的相对位置关系，从而求出卫星在轨实际的光照面积，乘以太阳光强求出太阳光压力矩。由于大型网状天线结构尺寸大，因而可能对太阳翼和卫星本体造成遮挡，如果无法对遮挡面积进行精确计算，则太阳光压的计算结果的精度将大大折扣。本发明的技术原理首先通过Catia软件将卫星模型进行三角面片的划分，通过提取三角面片的坐标和矢量方向，将模型进行细化。通过对卫星部件模型投影和对投影进行离散化，从而得到精确的卫星各个面片的遮挡关系，然后基于各个面片进行光压力矩的计算。基于该方法可大大提高卫星光压力矩计算的精确性。

如图1所示，本发明提出的一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，如图1所示，步骤如下：

(1)建立网状天线卫星模型，于卫星本体系中提取卫星模型坐标位置信息及矢量信息，并获取卫星定轨参数，卫星姿态参数，运行时间参数；

其中，具体的操作步骤包括：

(1a)利用Catia软件将卫星各部件的CAD模型转换为STL文件；

(1b)根据步骤(1)的卫星模型的STL文件，提取卫星部件模型坐标位置信息；

所述步骤(1b)提取卫星部件模型信息，具体为：根据卫星模型的STL 文件，提取STL文件记录的每个三角形面片的x、y、z坐标信息以及STL 文件中模型点形成的三角形面片的正矢量方向，以矩阵方式存储。

(1c)手动导入各个卫星部件的物理信息；

所述步骤(1c)手动导入各个卫星部件的物理信息，具体为：输入信息包括不同卫星部件的遮光率、太阳光吸收率、太阳光漫反射率、太阳光镜反射率；对于大型网状天线，需要分别建立两部分模型：遮光率为1的不透光的部分的模型和遮光率不为1的半透光的部分的模型，每一部分模型单独设定遮光率、太阳光吸收率、太阳光漫反射率、太阳光镜反射率；对于所述的普通天线，需要按物理属性分为正反面两部分，每一部分分别设置太阳光吸收率、太阳光漫发射率、太阳光镜反射率。

(2)根据步骤(1)所得的卫星定轨参数、卫星姿态参数、运行时间参数计算太阳矢量在卫星本体系下的投影，计算投影方法为常规方法，不再赘述；

(3)建立投影坐标系，并获取卫星各部件模型于投影坐标系上的模型投影；

其中，获取卫星各部件模型于投影坐标系上的模型投影的具体方法为：

(3a)以卫星本体系原点为原点，选取与太阳矢量方向垂直的法平面并以与太阳矢量方向相反的方向作为z轴建立投影坐标系；

(3b)通过步骤(1)所得卫星模型坐标位置信息于投影坐标系中进行模型投影同时获取模型投影坐标位置信息，选取模型投影中卫星部件边缘值并根据所选边缘值确定矩形投影面包络；

(3c)对步骤(s2)所得投影面包络进行投影面网格划分，对投影面包络进行网格划分，并获取划分后投影面包络的网格数、网格面积、网格中心点坐标，并根据此时太阳矢量及卫星各部件模型坐标位置于划分后的投影面网格上进行投影，其中：

划分投影面网格，采用矩形网格划分，给定矩形网格的一条边长的尺度，根据步骤(3b)的投影面包络的边长，利用取整得到此边划分的网格数，进而得到投影面包络的网格数、网格面积、每个网格中心点坐标，每个网格记为一个有限单元。每个有限单元中心点坐标用x、y、z三个坐标值表示，每个有限单元面积用两个边长d_l、d_h表示，边长乘积等于有限单元面积；

(4)根据步骤(2)所得太阳矢量在卫星本体系下的投影，确定步骤(3) 所得的各部件模型投影的重叠关系；

定各部件模型投影的重叠关系的具体方法为：根据步骤(3)所得模型投影于投影面包络网格中的网格位置信息进行判断，当相同坐标位置的网格被重复选取时，该网格位置存在重叠关系，此时记录重叠面投影模型所处网格位置的坐标位置信息；

(5)根据步骤(4)所得各部件模型投影的重叠关系位置坐标及太阳矢量方向进行反投影，并记录反投影后各部件模型于卫星本体系内的位置坐标，面积，高度信息，同时确定反投影后所得各部件模型的遮挡关系并计算反投影模型的受光率；

所述步骤(5)中，确定反投影后卫星部件遮挡关系的具体方法为：

(b1)对投影坐标系中具有重叠关系的投影模型于卫星本体系中进行反投影，记录反投影所得卫星部件模型的坐标位置、面积、高度；

(b2)根据步骤(b1)所得反投影卫星部件模型信息判断卫星部件遮挡关系，判据如下：

根据所得卫星部件反投影模型的高度判断卫星部件表面的遮挡顺序，其中，高度最大的卫星部件表面距离太阳最近，对其余部件造成遮挡，同时根据反投影模型形状判断卫星本体、太阳翼和与网状天线的具体遮挡位置，后续面片的遮挡关系依此类推；

所述步骤(5)中，根据步骤(b21)所得卫星部件表面遮挡关系顺序及卫星部件的物理透光属性确定被遮挡面片的受光情况，计算被遮挡表面的受光率的计算方法如下：

式中，为当前卫星部件表面的受光率，为高度较当前部件表面高的卫星部件表面的受光率，为高度较当前部件表面高的卫星部件表面的遮光率，对于不透光的部件，该值为1；透光部件该值取值区间(0,1)；

当卫星部件表面排序在第一位时，为1；卫星部件表面被遮挡时，利用上述公式进行计算。

(6)根据步骤(5)计算所得的反投影模型的受光率、各部件模型于卫星本体系内的位置坐标，面积，高度信息及步骤(1)获得的模型遮光率、太阳光吸收率、太阳光漫反射率、太阳光镜反射率计算该部件模型的太阳光压力矩，

利用步骤(5)计算所得卫星部件模型的受光率计算所述卫星部件模型的太阳光压力矩的方法为：

dM＝r×dF

式中，dM为卫星部件模型于卫星本体坐标系中受到的太阳光压力矩，r 为反投影模型相对于卫星质心的距离矢量，dF为反投影模型受到的太阳光压力，p为太阳辐射压力平均压强，为反投影模型的受光率，d_A为反投影模型的面积，S为反投影模型的正向矢量，N为太阳光的负向矢量太阳方位矢量，θ为反投影模型所在面片正向矢量与太阳光的负向矢量的夹角，计算方法为c_α为反投影模型所在面片的太阳光吸收率，c_rd为反投影模型所在面片的太阳光漫反射率，c_rs为反投影模型所在面片的太阳光镜反射率，其中，c_α+c_rd+c_rs＝1，H为反投影函数，

下面结合具体实施例进行进一步说明：

利用本方法开发软件针对某带有大型网状天线的卫星进行太阳光压力矩计算，其中：

(1)建立网状天线卫星模型，获取各种计算输入参数，获取如图2所示的STL文件参数，并输入卫星轨道及姿态信息等参数；

其中，y,m,d,H,M,S为卫星轨道时间，ω,i,Ω,r_a,r_e,r_m为卫星运行轨道六要素， y为年，m为月，d为日，H为时，M为分，S为秒，ω为升交点赤经，i为轨道倾角，Ω为近地点幅角，r_a为轨道半长轴，r_e为轨道偏心率，r_m为定轨时刻平近点角，为卫星滚动角，θ为卫星俯仰角；

其中，卫星遮挡重叠情况如图3所示；

(3)太阳光压力矩的计算结果

把计算结果与在轨标定的结果进行了比对，其中实线为在轨卫星遥测数据，虚线为计算结果。结果如图4所示：

通过比对，计算结果与实际物理规律一致，计算结果的误差范围由原来的20％提高到约为±8％，生成报告情况如图5所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立网状天线卫星模型，于卫星本体系中提取卫星各部件模型坐标位置信息及矢量信息，并获取卫星定轨参数，卫星姿态参数，运行时间参数；

(2)根据步骤(1)所得的卫星定轨参数、卫星姿态参数、运行时间参数计算此时太阳矢量在卫星本体系下的投影；

(3)建立投影坐标系，并获取卫星各部件模型于投影坐标系上的模型投影；

(4)根据步骤(2)所得太阳矢量在卫星本体系下的投影，确定步骤(3)所得的各部件模型投影之间的重叠关系；

(5)根据步骤(4)所得各部件模型投影的重叠关系、重叠部分位置坐标及太阳矢量方向进行反投影，并记录反投影后各部件模型于卫星本体系内的位置坐标、面积、高度信息，同时根据高度信息确定反投影后所得各部件模型的遮挡关系并计算反投影模型的受光率；

(6)根据步骤(5)计算所得受光率、各部件模型于卫星本体系内的位置坐标及面积、步骤(1)所得卫星轨道参数计算该部件模型的太阳光压力矩。

2.根据权利要求1所述的一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中，获取卫星各部件模型于投影坐标系上的模型投影的具体方法为：

(s1)以卫星本体系原点为原点，选取与太阳矢量方向垂直的法平面并以与太阳矢量方向相反的方向作为z轴建立投影坐标系；

(s2)通过步骤(1)所得卫星模型坐标位置信息于投影坐标系中进行模型投影同时获取模型投影坐标位置信息，选取模型投影中卫星部件边缘值并根据所选边缘值确定投影面包络；

(s3)对步骤(s2)所得投影面包络进行投影面网格划分，并获取划分后投影面包络的网格数、网格面积、网格中心点坐标，并根据此时太阳矢量及卫星各部件模型坐标位置于划分后的投影面网格上进行投影。

3.根据权利要求2所述的一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中，确定各部件模型投影的重叠关系的具体方法为：根据步骤(3)所得模型投影于投影面包络网格中的网格位置信息进行判断，当相同坐标位置的网格被重复选取时，该网格位置存在重叠关系，此时记录重叠面投影模型所处网格位置的坐标位置信息。

4.根据权利要求3所述的一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，其特征在于：所述步骤(5)中，确定反投影后卫星部件遮挡关系的具体方法为：

(b1)对投影坐标系中具有重叠关系的投影模型于卫星本体系中进行反投影，记录反投影后所得卫星部件模型的坐标位置、面积、高度；

(b2)根据步骤(b1)所得反投影卫星部件模型信息判断卫星部件遮挡关系，判据如下：

根据所得卫星部件反投影模型的高度判断卫星部件表面的遮挡顺序，其中，高度最大的卫星部件表面距离太阳最近，对其余部件造成遮挡，同时根据反投影模型形状判断卫星部件的具体遮挡位置。

5.根据权利要求4所述的一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，其特征在于：所述步骤(5)中，计算反投影模型的受光率的方法如下：

式中，当卫星部件表面排序在第一位时，为1；卫星部件表面被遮挡时，利用上述公式进行计算；

其中，为当前卫星部件表面的受光率，为高度较当前部件表面高的卫星部件表面的受光率，为高度较当前部件表面高的卫星部件表面的遮光率，对于不透光的部件，该值为1；对于透光部件，该值取值区间(0,1)。

6.根据权利要求1所述的一种带大型网状天线卫星的太阳光压力矩计算方法，其特征在于：利用步骤(5)计算所得卫星部件模型的受光率计算所述卫星部件模型的太阳光压力矩的方法为：

dM＝r×dF

式中，dM为卫星部件模型于卫星本体坐标系中受到的太阳光压力矩，r为反投影模型相对于卫星质心的距离矢量，dF为反投影模型受到的太阳光压力，p为太阳辐射压力平均压强，为反投影模型的受光率，d_A为反投影模型的面积，S为反投影模型的正向矢量，N为太阳光的负向矢量太阳方位矢量，θ为反投影模型所在卫星部件表面正向矢量与太阳光的负向矢量的夹角，计算方法为c_α为反投影模型所在卫星部件表面的太阳光吸收率，c_rd为反投影模型所在卫星部件表面的太阳光漫反射率，c_rs为反投影模型所在卫星部件表面的太阳光镜反射率，其中，c_α+c_rd+c_rs＝1，H为反投影函数，