CN110104210B - 低轨对日观测卫星的多星敏布局方法 - Google Patents

低轨对日观测卫星的多星敏布局方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，包括如下步骤：1、根据卫星轨道高度计算β角；2、根据星敏太阳保护角及β角，确定星敏视轴与卫星‑Xb轴夹角约束；3、仿真计算单星敏惯性定向条件下的整轨可用率；4、确定卫星所需星敏数量；5、确定星敏感器安装角度α；6、根据多星敏数量及安装角度，可计算得到每台星敏在一个轨道周期内的可用率；7、结合卫星工作模式及对姿态控制系统的要求，确定星敏感器在载荷舱、平台舱的数量及安装角度。本发明能够在满足任务要求的前提下尽可能优化星敏数量和布局，具有一定的工程应用价值。

Description

低轨对日观测卫星的多星敏布局方法
技术领域
本发明涉及航天器领域，具体地，涉及一种低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，其中，星敏为星敏感器的简称。
背景技术
随着卫星技术的飞跃式发展，卫星的姿态确定精度、图像定位精度等指标要求不断提高，星敏感器具有自主性强、测量精度高、无累积姿态误差等优点，使其应用日益增多，成为卫星最重要的姿态测量部件，多视场星敏感器的星上构形布局设计将直接影响卫星的姿态测量精度。
在星敏感器构形布局设计时，约束因素较多，需考虑卫星本体、星上安装的大型部件如太阳翼、相机等设备是否进入星敏感器视场，卫星在轨运行时太阳光及地气光等杂光对星敏感器的影响：另外，卫星上多个星敏感器配合完成星上姿态确定时，星敏感器的光轴指向夹角越接近正交姿态确定精度越高。因此，星敏感器指向设计成为卫星构形布局的一项重要内容。如专利文献CN107344630A公开的一种多视场星敏感器星上构形布局确定方法，又如专利文献CN 104296751A公开的一种多星敏感器构型布局设计方法。
而对于特定的卫星形体，其星敏布局又有不同要求和方法；例如由载荷舱与平台舱组成的低轨高性能对日观测卫星，载荷舱与平台舱之间通过磁浮作动器连接。在惯性对日成像模式下，平台舱与载荷舱锁紧，要求指向精度优于0.2°，需保证至少单星敏可用；在对地定向模式下，平台舱与载荷舱解锁，要求载荷舱指向精度优于0.0005°，需保证至少双星敏可用。
本发明涉及一种低轨高性能对日观测卫星的多星敏布局方法，可满足低轨高性能对日观测卫星精度需求，为对日观测卫星星敏布局提供了良好的技术手段。
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低轨对日观测卫星的多星敏布局方法。
根据本发明提供的一种低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，包括如下步骤：
步骤1：利用卫星轨道高度H、星敏太阳保护角αsensor计算ST轴正向与Yb轴负向夹角M的可用范围；
步骤2：以ST轴正向与Yb轴负向夹角M为约束条件，并以0°～90°为ST轴正向与Xb轴负向在的夹角在Xb-Yb平面内的投影角度α取值范围，仿真计算得到η-α图像，其中η为单星敏惯性定向条件下的整轨可用率，数值上等于星敏的单轨可用时间与轨道周期的比值；
步骤3：根据步骤2仿真计算得到的所述η-α图像中的整轨可用率η及整轨可用率η对α的一阶导数，结合卫星工作模式及对姿态控制的要求，确定夹角α取值及卫星所需星敏数量N；
步骤4：根据夹角α取值及卫星所需星敏数量N，计算得到每台星敏在一个轨道周期内的可用率、N1星敏可用率作为计算结果，其中N1为大于1、小于N的整数；
步骤5：根据步骤4得到的计算结果，判断是否满足卫星工作模式及对姿态控制的要求：若满足，则得到卫星的多星敏布局方案；否则，则进入步骤6继续执行；
步骤6：重新确定夹角α取值和/或卫星所需星敏数量N；返回步骤4；
所述低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，基于坐标轴；其中，所述坐标轴为：
以卫星为原点，太阳光入射方向的相反方向为Xb轴正向，由地心指向卫星方向为Yb轴正向；星敏视轴ST轴正方向为星敏感器正对方向。
优选地，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1A：根据卫星轨道高度H及如下公式，计算Xb-Yb平面内过卫星所在点且与地球相切的直线，与Xb轴所在直线的夹角β：
Figure BDA0002012501780000021
式中，Re为地球半径；
步骤1B：根据星敏太阳保护角αsensor，确定ST轴正向与Xb轴负向在的夹角在Xb-Yb平面内的投影角度α满足如下不等式：
α＞αsensor-β
则ST轴正向与Yb轴负向夹角M的可用范围满足如下不等式：
M＞αsensor-β+90°。
优选地，步骤1A完成后，根据卫星轨道高度H考虑大气层厚度的影响，对β角取值进行修正。
优选地，低轨对日观测卫星工作于太阳同步轨道。
优选地，适用的卫星工作模式为惯性对日成像模式或对地定向模式。
优选地，惯性对日成像模式下，平台舱与载荷舱锁紧，模式指向精度要求保证至少单星敏可用；对地定向模式下，平台舱与载荷舱解锁，载荷舱指向精度要求保证至少双星敏可用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，具有计算过程清晰明了，所需工作量小的优点；
2、本发明提供的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，能够根据低轨对日观测卫星的不同工作状态，计算调整星敏布局精度和工作要求间的平衡，更为有效的实现星敏布局。
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为本发明提供的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法中低轨高性能对日观测卫星在轨惯性对日成像模式示意图；
图2为本发明提供的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法中单星敏整轨可用率随α角变化曲线示意图；
图3为本发明提供的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法中一个轨道周期内每台星敏视轴与卫星地心矢量夹角变化示意图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，包括如下步骤：
步骤1：利用卫星轨道高度H、星敏太阳保护角αsensor计算ST轴正向与Yb轴负向夹角M的可用范围；
步骤2：以ST轴正向与Yb轴负向夹角M为约束条件，并以0°～90°为ST轴正向与Xb轴负向在的夹角在Xb-Yb平面内的投影角度α取值范围，仿真计算得到η-α图像，其中η为单星敏惯性定向条件下的整轨可用率，数值上等于星敏的单轨可用时间与轨道周期的比值；
步骤3：根据步骤2仿真计算得到的所述η-α图像中的整轨可用率η及整轨可用率η对α的一阶导数，结合卫星工作模式及对姿态控制的要求，确定夹角α取值及卫星所需星敏数量N；
步骤4：根据夹角α取值及卫星所需星敏数量N，计算得到每台星敏在一个轨道周期内的可用率、N1星敏可用率作为计算结果，其中N1为大于1、小于N的整数；
步骤5：根据步骤4得到的计算结果，判断是否满足卫星工作模式及对姿态控制的要求：若满足，则得到卫星的多星敏布局方案；否则，则进入步骤6继续执行；
步骤6：重新确定夹角α取值和/或卫星所需星敏数量N；返回步骤4；
所述低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，基于坐标轴；其中，所述坐标轴为：
以卫星为原点，太阳光入射方向的相反方向为Xb轴正向，由地心指向卫星方向为Yb轴正向；星敏视轴ST轴正方向为星敏感器正对方向，其中，在星敏感器能够工作的情况下，ST轴相对于Xb轴负向的允许角度范围为0°～90°。
优选地，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1A：根据卫星轨道高度H及如下公式，计算Xb-Yb平面内过卫星所在点且与地球相切的直线，与Xb轴所在直线的夹角β：
Figure BDA0002012501780000041
式中，Re为地球半径；
步骤1B：根据星敏太阳保护角αsensor，确定ST轴正向与Xb轴负向在的夹角在Xb-Yb平面内的投影角度α满足如下不等式：
α＞αsensor-β
则ST轴正向与Yb轴负向夹角M的可用范围满足如下不等式：
M＞αsensor-β+90°。
具体地，步骤1A完成后，根据卫星轨道高度H考虑大气层厚度的影响，对β角取值进行修正，具体修正方法为将β角取值减小5°～6°。低轨对日观测卫星工作于太阳同步轨道。适用的卫星工作模式为惯性对日成像模式或对地定向模式。惯性对日成像模式下，平台舱与载荷舱锁紧，模式指向精度要求保证至少单星敏可用；对地定向模式下，平台舱与载荷舱解锁，载荷舱指向精度要求保证至少双星敏可用。
更具体地，本发明优选例的面向低轨高性能对日观测卫星的多星敏布局方法，包括：
步骤101：根据卫星轨道高度，计算β角
Figure BDA0002012501780000051
式中：RReR为地球半径；H为卫星轨道高度。
步骤102：根据星敏太阳保护角αsensor，确定星敏视轴与卫星-Xb轴夹角α需满足
α＞αsensor-β
那么，星敏视轴与卫星地心矢量的夹角需满足
M＞αsensor-β+90°
式中：αsensor为星敏太阳保护角；β为卫星过地表的切线与当地水平面之间的夹角。
步骤103：以星敏视轴与卫星地心矢量的夹角为约束，取α从0°到90°变化，仿真计算单星敏惯性定向条件下的整轨可用率。
步骤104：根据单星敏整轨可用率，确定卫星所需星敏数量。
步骤105：根据单星敏整轨可用率变化趋势，确定α角取值，即确定星敏感器安装角度。
步骤106：根据多星敏数量及安装角度，可计算得到每台星敏在一个轨道周期内的可用率、双星敏可用率等。
步骤107：结合卫星工作模式及对姿态控制系统的要求，即可确定星敏感器在载荷舱、平台舱的数量及安装角度。
并且，低轨高性能对日观测卫星工作于太阳同步轨道，降交点地方时为6:00或18:00。卫星工作于惯性对日成像模式和对地定向模式。卫星工作模式，在惯性对日成像模式下，平台舱与载荷舱锁紧，指向精度不高，需保证至少单星敏可用；在对地定向模式下，平台舱与载荷舱解锁，载荷舱指向精度要求很高，需保证至少双星敏可用。
进一步地，本发明优选例的算法流程，具体步骤包括：
步骤201：卫星工作轨道高度H取852km，地球半径Re取6378km，那么卫星过地表的切线与卫星-Xb轴之间的夹角β
步骤202：考虑大气层厚度的影响，β取22°，星敏太阳保护角α为35°，因此α需满足α，即星敏视轴与卫星地心矢量的夹角需大于103°。
步骤203：以星敏视轴与卫星地心矢量的夹角为约束，取α从0°到90°变化，仿真计算单星敏惯性定向条件下的整轨可用率如图2所示。
步骤204：从图2可知，单星敏整轨可用率小于45％，故双星敏方案不能保证在惯性对日定向模式下整轨至少单星敏可用，需要三星敏。
步骤205：从图2可知，α越大则星敏可用率越大，但随着α的增加，可用率增长斜率明显下降。考虑到对地定向模式下避免太阳进星敏视场，取α，此时整轨内单星敏可用率约41％。
步骤206：卫星安装3台星敏感器，α＝50°，即每台星敏感器与-Xb轴夹角均为50°，可计算得到每台星敏在一个轨道周期内的可用率，如图3所示。
步骤207：卫星工作于惯性对日成像模式和对地定向模式，在惯性对日成像模式下，平台舱与载荷舱锁紧，指向精度要求不高，需保证至少单星敏可用；在对地定向模式下，平台舱与载荷舱解锁，载荷舱指向精度要求很高，需保证至少双星敏可用。故采用载荷舱双星敏、平台舱单星敏优化布局，星敏与-Xb轴夹角均为50°，确保双星敏可弧段最长、全程单星敏可用。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用卫星轨道高度H、星敏太阳保护角αsensor计算ST轴正向与Yb轴负向夹角M的可用范围；
步骤2：以ST轴正向与Yb轴负向夹角M为约束条件，ST轴正向与Xb轴负向所在的夹角在Xb-Yb平面内的投影角度记为夹角α，所述夹角α以0°～90°为取值范围，仿真计算得到η-α图像，其中η为单星敏惯性定向条件下的整轨可用率，所述整轨可用率数值上等于星敏的单轨可用时间与轨道周期的比值；
步骤3：根据步骤2仿真计算得到的所述η-α图像中的整轨可用率η及整轨可用率η对α的一阶导数，结合卫星工作模式及对姿态控制的要求，确定夹角α取值及卫星所需星敏数量N；
步骤4：根据夹角α取值及卫星所需星敏数量N，计算得到每台星敏在一个轨道周期内的可用率、N1星敏可用率作为计算结果，其中N1为大于1、小于N的整数；
步骤5：根据步骤4得到的计算结果，判断是否满足卫星工作模式及对姿态控制的要求：若满足，则得到卫星的多星敏布局方案；否则，则进入步骤6继续执行；
步骤6：重新确定夹角α取值和/或卫星所需星敏数量N；返回步骤4；
所述低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，基于坐标轴；其中，所述坐标轴为：
以卫星为原点，太阳光入射方向的相反方向为Xb轴正向，由地心指向卫星方向为Yb轴正向；星敏视轴ST轴正方向为星敏感器正对方向。
2.根据权利要求1所述的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1A：根据卫星轨道高度H及如下公式，计算Xb-Yb平面内过卫星所在点且与地球相切的直线，与Xb轴所在直线的夹角β：
Figure FDA0002552951630000011
式中，Re为地球半径；
步骤1B：根据星敏太阳保护角αsensor，确定ST轴正向与Xb轴负向在的夹角在Xb-Yb平面内的投影角度α满足如下不等式：
α＞αsensor-β
则ST轴正向与Yb轴负向夹角M的可用范围满足如下不等式：
M＞αsensor-β+90°。
3.根据权利要求2所述的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，其特征在于，步骤1A完成后，根据卫星轨道高度H考虑大气层厚度的影响，对β角取值进行修正。
4.根据权利要求1所述的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，其特征在于，低轨对日观测卫星工作于太阳同步轨道。
5.根据权利要求1所述的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，其特征在于，适用的卫星工作模式为惯性对日成像模式或对地定向模式。
6.根据权利要求5所述的低轨对日观测卫星的多星敏布局方法，其特征在于，惯性对日成像模式下，平台舱与载荷舱锁紧，模式指向精度要求保证至少单星敏可用；对地定向模式下，平台舱与载荷舱解锁，载荷舱指向精度要求保证至少双星敏可用。
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