CN108955627A - 一种采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法，该方法基于太阳边缘速度差测量的新型太阳敏感器，该太阳敏感器可同时获取太阳视方向和太阳视方向与太阳自转轴的夹角θ。该太阳敏感器利用四个光谱仪测量太阳圆盘边缘上两组互相垂直的点的速度差值，利用中心轴线方向得到太阳视方向，根据太阳自转模型和投影原理，建立速度差值和太阳视方向与太阳自转轴夹角θ的函数关系，从而解算出夹角θ，相较于传统的太阳敏感器只能提供载体相对太阳的姿态信息，此太阳敏感器还可提供载体相对太阳的位置信息。

Description

一种采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法

技术领域

本发明属于航天器自主导航领域，涉及一种采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法。

背景技术

传统的测量太阳姿态的方法一般使用太阳敏感器，它通过对太阳辐射的敏感来测量太阳视线与卫星等航天器某一体轴之间的夹角。研制太阳敏感器的公司和研究机构几乎遍布全球，如美国GOODRICH公司研制的模拟式太阳敏感器、俄罗斯“RPE OPTECS”的线阵列CCD太阳敏感器、荷兰TNO-TPD的APS太阳敏感器等，其类型由模拟式、数字式发展到了各种新型数字式，但无论是何种类型的太阳敏感器，它只能提供载体相对太阳的姿态信息。

目前，使用传统太阳敏感器进行姿态测量的方法已日趋成熟，随着航天技术的进步，为适应导航领域的发展，对太阳敏感器的功能提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为弥补传统的太阳敏感器只能提供载体相对太阳的姿态信息的缺陷，提出一种采用新型太阳敏感器测量载体相对于太阳的姿态信息以及位置信息的方法。

本发明涉及一种采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法，该方法基于太阳边缘速度差测量的新型太阳敏感器，该太阳敏感器包括内置调节机构和四个光谱仪，太阳敏感器可同时获取太阳视方向和太阳视方向与太阳自转轴的夹角θ，具体包括以下步骤：

步骤(1)、太阳敏感器通过内置调节机构将四个光谱仪对准太阳圆盘边缘上两组互相垂直且连线穿越太阳圆心的点，四个光谱仪的中心轴线方向就是太阳视方向；根据多普勒频移原理，测量分析分别得到两组点的速度差值；

步骤(2)、根据太阳自转模型和投影原理，建立速度差值和太阳视方向与太阳自转轴夹角θ的函数关系；

步骤(3)、解算出夹角θ。

进一步的，上述采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法中，

所述步骤(1)包括以下步骤：

太阳敏感器通过内置调节机构将四个光谱仪对准太阳圆盘边缘上两组互相垂直且连线穿越太阳圆心的点，四个光谱仪的中心轴线方向就是太阳视方向，两组点分别为A和A’，B和B’；根据多普勒频移原理，测量分析分别得到A和A’、B和B’之间的速度差值dv₁和dv₂；

所述步骤(2)包括以下步骤：

太阳自转速率随纬度的变化而变化，其较差自转率由下式描述：

其中，ω是以度/日为单位的角速度，是太阳对应点纬度，a、b、c为常数，不同的测量结果会影响a、b、c三个常数的值；当前被接受的值是：a＝14.713度/日(±0.0491)，b＝-2.396度/日(±0.188)，c＝-1.787度/日(±0.253)，太阳半径R＝6.955×10⁵千米；

在切面圆上任取一点M，沿子午线与赤道交于点N，设切面圆与太阳赤道的交点为起点S，太阳圆心为O，顺时针为正，∠MOS＝α，∠NOS＝β，即M点的纬度为建立空间直角坐标系O-xyz；

由式(1)得切面圆上的点的自转线速度为：

太阳视方向M点的速度则速度在太阳视方向上的投影速度大小为：

在球面直角△MSN中，

由式(3)和式(4)得：

则切面圆上相差180°的两点处的投影速度差dv为：

在球面直角△MSN中，

由式(2)、式(6)和式(7)得：

dv＝2Rcosαsinθ(a+bsin²αsin²θ+csin⁴αsin⁴θ) (8)

所述步骤(3)包括以下步骤：

因为α∈(0,2π)，θ∈(0,π)，已知太阳敏感器测量的A和A’、B和B’之间的速度差值dv₁、dv₂，由式(8)可得方程组

将dv₁、dv₂代入式(9)便可解算出太阳视方向与太阳自转轴的夹角θ。

本发明的原理是：利用四个光谱仪测量太阳圆盘边缘上两组互相垂直的点的速度差值，利用中心轴线方向得到太阳视方向，根据太阳自转模型和投影原理，建立速度差值和太阳视方向与太阳自转轴夹角θ的函数关系，从而解算出夹角θ。

本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明采用新型的太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息，该新型的太阳敏感器包括内置调节机构和四个光谱仪，相较于传统的太阳敏感器只能提供载体相对太阳的姿态信息，该新型的太阳敏感器可同时提供载体相对太阳的姿态信息和位置信息。(2)本发明通过建立速度差值和太阳视方向与太阳自转轴夹角θ的函数关系，从而解算出夹角θ，实现方法简单。

附图说明

图1为本发明中采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法的流程图；

图2太阳敏感器测量数据模型；

图3太阳自转模型；

图4太阳位置信息。

具体实施方式

图1给出了一种采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法的流程图。该方法基于太阳边缘速度差测量的新型太阳敏感器，该太阳敏感器包括内置调节机构和四个光谱仪，可同时获取太阳视方向和太阳视方向与太阳自转轴的夹角θ。具体的是利用四个光谱仪测量太阳圆盘边缘上两组互相垂直的点的速度差值，利用中心轴线方向得到太阳视方向，根据太阳自转模型和投影原理，建立速度差值和太阳视方向与太阳自转轴夹角θ的函数关系，从而解算出夹角θ。

1.太阳敏感器测量速度差值

太阳敏感器工作原理：太阳敏感器通过内置调节机构将四个光谱仪对准太阳圆盘边缘上两组互相垂直且连线穿越太阳圆心的点，四个光谱仪的中心轴线方向就是太阳视方向，两组点分别为A和A’，B和B’；根据多普勒频移原理，可测量分析得到A和A’、B和B’之间的速度差值dv₁和dv₂，如图2所示。

2.速度差值与θ的数学模型

太阳自转速率随纬度的变化而变化，其较差自转率由下式描述：

其中，ω是以度/日为单位的角速度，是太阳对应点纬度，a、b、c为常数，不同的测量结果会影响a、b、c三个常数的值；当前被接受的值是：a＝14.713度/日(±0.0491)，b＝‐2.396度/日(±0.188)，c＝‐1.787度/日(±0.253)；太阳半径R＝6.955×10⁵千米。

在切面圆上任取一点M，沿子午线与赤道交于点N，设切面圆与太阳赤道的交点为起点S，太阳圆心为O，顺时针为正，∠MOS＝α，∠NOS＝β，即M点的纬度为建立空间直角坐标系O-xyz，如图3所示。

由式(1)得切面圆上的点的自转线速度为：

太阳视方向M点的速度则速度在太阳视方向上的投影速度大小为：

在球面直角△MSN中，

由式(3)和式(4)得：

则切面圆上相差180°的两点处的投影速度差dv为：

在球面直角△MSN中，

由式(2)、式(6)和式(7)得：

dv＝2Rcosαsinθ(a+bsin²αsin²θ+csin⁴αsin⁴θ) (8)

3.解算自转轴与太阳视方向夹角θ

因为α∈(0,2π)，θ∈(0,π)，已知步骤①太阳敏感器测量数据dv₁、dv₂，由式(8)可得方程组

将dv₁、dv₂代入式(9)便可解算出太阳视方向与太阳自转轴的夹角θ和π-θ。

通过夹角θ可提供载体相对太阳的位置信息，即载体必位于以太阳为顶点，以θ为锥心角的圆锥面上，如图4所示，本发明适用于载体自主导航领域的进一步发展。

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公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法，其特征在于：该太阳敏感器包括内置调节机构和四个光谱仪，该方法包括：

步骤(1)、太阳敏感器通过内置调节机构将四个光谱仪对准太阳圆盘边缘上两组互相垂直且连线穿越太阳圆心的点，四个光谱仪的中心轴线方向就是太阳视方向；根据多普勒频移原理，测量分析分别得到两组点的速度差值；

步骤(2)、根据太阳自转模型和投影原理，建立速度差值和太阳视方向与太阳自转轴夹角θ的函数关系；

步骤(3)、解算出夹角θ。

2.根据权利要求1所述的采用太阳敏感器测量载体相对太阳的位置信息的方法，其特征在于：

所述步骤(1)包括以下步骤：

太阳敏感器通过内置调节机构将四个光谱仪对准太阳圆盘边缘上两组互相垂直且连线穿越太阳圆心的点，四个光谱仪的中心轴线方向就是太阳视方向，两组点分别为A和A’，B和B’；根据多普勒频移原理，测量分析分别得到A和A’、B和B’之间的速度差值dv₁和dv₂；

所述步骤(2)包括以下步骤：

太阳自转速率随纬度的变化而变化，其较差自转率由下式描述：

其中，ω是以度/日为单位的角速度，是太阳对应点纬度，a、b、c为常数，不同的测量结果会影响a、b、c三个常数的值；能够接受的值是：a＝14.713度/日(±0.0491)，b＝-2.396度/日(±0.188)，c＝-1.787度/日(±0.253)；太阳半径R＝6.955×10⁵千米；

在切面圆上任取一点M，沿子午线与赤道交于点N，设切面圆与太阳赤道的交点为起点S，太阳圆心为O，顺时针为正，∠MOS＝α，∠NOS＝β，即M点的纬度为建立空间直角坐标系O-xyz；

由式(1)得切面圆上的点的自转线速度为：

太阳视方向M点的速度则速度在太阳视方向上的投影速度大小为：

在球面直角△MSN中，

由式(3)和式(4)得：

则切面圆上相差180°的两点处的投影速度差dv为：

在球面直角△MSN中，

由式(2)、式(6)和式(7)得：

dv＝2Rcosαsinθ(a+bsin²αsin²θ+csin⁴αsin⁴θ) (8)

所述步骤(3)包括以下步骤：

因为α∈(0,2π)，θ∈(0,π)，已知太阳敏感器测量的A和A’、B和B’之间的速度差值dv₁、dv₂，由式(8)可得方程组：

将dv₁、dv₂代入式(9)便可解算出太阳视方向与太阳自转轴的夹角θ。