CN110155374B - 一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法，包括下列步骤：将一个或多个太阳能电池片安装在多个位置处；确定所述太阳能电池片的输出电流；以及根据所述太阳能电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量。此外，本发明还涉及一种用于确定太阳矢量的系统。通过本发明，卫星仅采用安装在星体凸出表面的一片或多片规格相同的太阳能电池片即可在全天域范围内，以通过较低的成本实现一定精度的太阳矢量测定。

Description

一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法
技术领域
本发明总体上涉及卫星姿态控制和太阳能领域，具体而言涉及一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法。
背景技术
卫星的能源获取以及姿态确定对于在轨卫星而言起到关键性的作用。而太阳矢量(或称太阳方向矢量)的确定又是卫星在轨能源获取与姿态确定的关键因素。通常采用差分式太阳敏感器确定太阳矢量。然而，差分式太阳敏感器研制成本较高，单个太阳敏感器不能保证太阳矢量的全天域覆盖，且太阳敏感器对安装界面的要求也较高。
发明内容
本发明的任务是提供一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法，通过该方法，卫星仅采用安装在星体凸出表面的一片或多片规格相同的太阳能电池片即可在全天域范围内，以通过较低的成本实现一定精度的太阳矢量测定。
根据本发明，该任务通过一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法来解决，该方法包括下列步骤：
将一个或多个太阳能电池片安装在多个位置处；
确定所述太阳能电池片的输出电流；以及
根据所述太阳能电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量。
在本发明的一个优选方案中规定，将一个或多个太阳能电池片安装在多个位置处包括：
在卫星的6个面中的每个面上分别安装一个或多个太阳能电池片。
在本发明的另一优选方案中规定，在卫星的6个面中的每个面上分别安装一个或多个太阳能电池片包括：
将一个或多个太阳能电池片安装在+X面上；
将一个或多个太阳能电池片安装在+Y面上；
将一个或多个太阳能电池片安装在+Z面上；
将一个或多个太阳能电池片安装在-X面上；
将一个或多个太阳能电池片安装在-Y面上；以及
将一个或多个太阳能电池片安装在-Z面上；
其中X、Y和Z方向为空间直角坐标系中的三个彼此垂直的方向。
在本发明的又一优选方案中规定，确定所述太阳能电池片的电流值包括：
通过确定卫星的每个面上的所有太阳能电池片的输出电流中的最大输出电流作为该面上的太阳能电池片的电流值I+X、I-X、I+Y、I-Y、I+Z、I-Z。
在本发明的另一优选方案中规定，根据所述太阳能电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量包括：
按照下列公式根据卫星的太阳帆板的±X、±Y、±Z面上的太阳能电池片的输出电流确定X、Y、Z坐标轴上的太敏对应的电流输出：
Figure GDA0002942129360000021
Figure GDA0002942129360000022
Figure GDA0002942129360000023
按照下列公式根据确定X、Y、Z坐标轴上的太敏对应的电流输出确定太阳矢量：
Figure GDA0002942129360000024
以及
通过下列公式对所得到的太阳矢量进行归一化：
Figure GDA0002942129360000025
此外，前述任务还可以通过一种用于确定太阳矢量的系统来解决，该系统包括：
多个太阳能电池片，其分别安装在卫星的太阳帆板的多个面上；以及
控制器，其被配置为执行以下动作：
确定所述太阳能电池片的输出电流；以及
根据所述太阳能电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量。
本发明的方法分别沿着星体的三轴正负向安装太阳电池片，卫星的6个轴向面上可以采样得到6组电流值，通过6组电流值可以确定太阳矢量。
而在卫星的每个面可以安装一个或者多个太阳能电池片。如果卫星的一个面上只安装一个太阳电池片，那么在计算太阳矢量时就利用该太阳电池片所输出的电流；如果卫星的一个面上同时安装多个太阳电池片，那么判定采集输出电流最大的太阳电池片为有效并将其输出电流应用于太阳矢量的计算。
在本发明中卫星的每个面有且仅有确定的一组由太阳电池片采样得到的电流值。对应关系如下：
序号 输出电流 卫星轴向面
1 电流I<sub>+X</sub> 卫星的+X面
2 电流I<sub>+Y</sub> 卫星的+Y面
3 电流I<sub>+Z</sub> 卫星的+Z面
4 电流I<sub>-X</sub> 卫星的-X面
5 电流I<sub>-Y</sub> 卫星的-Y面
6 电流I<sub>-Z</sub> 卫星的-Z面
其中X、Y和Z方向为空间直角坐标系中的三个彼此垂直的方向。
在此应当指出，在本发明的教导下，可以采取其它太阳电池片的安装位置和方法，并且根据所述安装位置相应地确定太阳矢量。
在本发明中，基于规则外型的星体，保证每面至少有一片太阳电池片，在部署载荷或者星载天线的位置上可部署多片太阳电池片以用于处理有可能导致的太阳电池片被遮挡的问题。此时，需先根据每个面上各太阳电池片输出电流的大小来进行有效性的判断，选取最大输出电流作为本面的输出。
根据所述太阳电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量具体方法和步骤如下：
Figure GDA0002942129360000041
按照下列公式，通过根据卫星±X、±Y、±Z面上的太阳电池片的输出电流，确定X、Y、Z坐标轴上的太阳电池片对应的输出电流大小，且判断太阳光的照射方向：
Figure GDA0002942129360000042
Figure GDA0002942129360000043
Figure GDA0002942129360000044
另外，假设卫星的某一面安装了多个太阳电池片，那么以根据各自采样得到的电流进行比较，判断太阳电池片的有效性。具体判断方法如下：
如卫星的+Y面安装两个太阳电池片，那么有
Figure GDA0002942129360000045
如同一面上安装多个太阳电池片，则同理进行判断。
Figure GDA0002942129360000046
布置在卫星的+X面、+Y面、+Z面、―X面、―Y面、―Z面上各太阳电池片的安装向量分别见式(1)～(6)：
Figure GDA0002942129360000047
Figure GDA0002942129360000048
Figure GDA0002942129360000049
Figure GDA0002942129360000051
Figure GDA0002942129360000052
Figure GDA0002942129360000053
Figure GDA0002942129360000054
按照下列公式根据确定X、Y、Z坐标轴上的太敏对应的电流输出确定太阳矢量：
Figure GDA0002942129360000055
以及
通过下列公式对所得到的太阳矢量进行归一化：
Figure GDA0002942129360000056
本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明通过太阳能电池片来确定太阳矢量，由此避免高成本差分太阳敏感器或者数字式太阳敏感器的使用，由此降低设备成本；(2)本发明的方法简单、计算复杂度低、易于工程实现；(3)降低太阳敏感器的安装性约束，由此降低安装成本；
附图说明
图1示出了全天域太阳电池片的安装设计；
图2示出了全天球确定的太阳矢量；以及
图3示出了全天球确定的太阳矢量与真实太阳矢量之间的夹角(°)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
本发明的任务是提供一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法，通过该方法，卫星仅采用安装在星体凸出表面的一片或多片规格相同的太阳能电池片即可在全天域范围内，以通过较低的成本实现一定精度的太阳矢量测定。
本发明与现有技术相比，更适应用于微小卫星以及卫星初始分离的状态的姿态确定，拥有算法简单、计算复杂度低、易于工程实现等优点。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
1.全天域太阳矢量确定算法
分别沿着星体的三轴正负向安装太阳电池片，卫星的每6个轴向面上可以采样得到6组电流值，通过6组电流值可以确定太阳矢量。
而在卫星的每个面可以安装一个或者多个太阳能电片。如果卫星的一个面上只安装一个太阳电池片，那么在计算太阳矢量时就利用该太阳电池片所输出的电流；如果卫星的一个面上同时安装多个太阳电池片，那么判定采集输出电流最大的太阳电池片为有效并将其输出电流应用于太阳矢量的计算。
在本发明中卫星的每个面有且仅有确定的一组由太阳电池片采样得到的电流值。对应关系如下：
序号 输出电流 卫星轴向面
1 电流I<sub>+X</sub> 卫星的+X面
2 电流I<sub>+Y</sub> 卫星的+Y面
3 电流I<sub>+Z</sub> 卫星的+Z面
4 电流I<sub>-X</sub> 卫星的-X面
5 电流I<sub>-Y</sub> 卫星的-Y面
6 电流I<sub>-Z</sub> 卫星的-Z面
其中X、Y和Z方向为空间直角坐标系中的三个彼此垂直的方向。
在此应当指出，在本发明的教导下，可以采取其它太阳电池片的安装位置和方法，并且根据所述安装位置相应地确定太阳矢量。
在本发明中，基于规则外型的星体，保证每面至少有一片太阳电池片，在部署载荷或者星载天线的位置上可部署多片太阳电池片以用于处理有可能导致的太阳电池片被遮挡的问题。此时，需先根据每个面上各太阳电池片输出电流的大小来进行有效性的判断，选取最大输出电流作为本面的输出。
根据所述太阳电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量具体方法和步骤如下：
Figure GDA0002942129360000071
按照下列公式，通过根据卫星±X、±Y、±Z面上的太阳电池片的输出电流，确定X、Y、Z坐标轴上的太阳电池片对应的输出电流大小，且判断太阳光的照射方向：
Figure GDA0002942129360000072
Figure GDA0002942129360000081
Figure GDA0002942129360000082
另外，假设卫星的某一面安装了多个太阳电池片，那么以根据各自采样得到的电流进行比较，判断太阳电池片的有效性。具体判断方法如下：
如卫星的+Y面安装两个太阳电池片，那么有
Figure GDA0002942129360000083
如同一面上安装多个太阳电池片，则同理进行判断
Figure GDA0002942129360000084
布置在卫星的+X面、+Y面、+Z面、―X面、―Y面、―Z面上各太阳电池片的安装向量分别见式(1)～(6)：
Figure GDA0002942129360000085
Figure GDA0002942129360000086
Figure GDA0002942129360000087
Figure GDA0002942129360000088
Figure GDA0002942129360000089
Figure GDA0002942129360000091
Figure GDA0002942129360000092
按照下列公式根据确定X、Y、Z坐标轴上的太敏对应的电流输出确定太阳矢量：
Figure GDA0002942129360000093
以及
通过下列公式对所得到的太阳矢量进行归一化：
Figure GDA0002942129360000094
2.仿真验证
为了验证本发明，可设计仿真实验进行验证。例如选取500km高度的太阳同步进行仿真。卫星的初始角速度为[3-3 3]°/s，初始姿态角[-2030 10]°。
根据上述方法，选取一种典型的太阳电池片的安装方式。其中卫星的5面各安装一个太阳电池片，由于考虑到在部署载荷或者星载天线等所可能导致的太阳电池片被遮挡的问题，第6面安装了2个太阳电池片用于电流采样。也就是说，7个太阳能电池片01-07分别布在卫星的+X、+Z、-X、-Y、-Z面，其中+Y面安装两个太阳电池片，基于这两个太阳电池片输出电流的大小比对，确定哪个太阳电池片输出的电流应用于计算太阳矢量。
图2和图3为基于太阳能电池片的全天球太阳矢量仿真。图2和图3的仿真结果表明，无论卫星的姿态如何变化，算法都可以唯一的确定出太阳矢量的方向，因此根据本发明的基于太阳能电池片的太阳矢量确定算法可以实现太阳矢量的全天球确定。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。

Claims (1)

1.一种采用体装式太阳能电池片确定太阳矢量的方法，包括下列步骤：
将多个太阳能电池片安装在多个位置处，其中在卫星的6个面中的每个面上分别安装多个太阳能电池片，包括：
将多个太阳能电池片安装在+X面上；
将多个太阳能电池片安装在+Y面上；
将多个太阳能电池片安装在+Z面上；
将多个太阳能电池片安装在-X面上；
将多个太阳能电池片安装在-Y面上；以及
将多个太阳能电池片安装在-Z面上；
其中X、Y和Z方向为空间直角坐标系中的三个彼此垂直的方向；
确定所述太阳能电池片的输出电流，其中确定所述太阳能电池片的电流值包括：
确定卫星的每个面上的所有太阳能电池片的输出电流中的最大输出电流作为该面上的太阳能电池片的电流值I+X、I-X、I+Y、I-Y、I+Z、I-Z；以及
根据所述太阳能电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量，其中根据所述太阳能电池片的位置和相应输出电流确定太阳矢量包括：
按照下列公式根据卫星的太阳帆板的±X、±Y、±Z面上的太阳能电池片的输出电流确定X、Y、Z坐标轴上的太敏对应的电流输出：
Figure FDA0002942129350000011
Figure FDA0002942129350000012
Figure FDA0002942129350000013
按照下列公式根据确定X、Y、Z坐标轴上的太敏对应的电流输出确定太阳矢量：
Figure FDA0002942129350000021
以及
通过下列公式对所得到的太阳矢量进行归一化：
Figure FDA0002942129350000022
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