CN110775302B - 一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法 - Google Patents

Abstract

一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，包括步骤：1)控制卫星使卫星实时角速度在卫星本体系三轴上的分量均低于姿态稳定槛值；2)根据太阳帆板法线在卫星本体系中的投影，确定角速度偏置方向矢量；3)根据太阳帆板输出电流的变化和步骤2)确定的所述角速度偏置方向矢量，调整卫星角速度，使卫星太阳帆板法向矢量指向太阳。本发明方法在不使用太阳敏感器和太阳帆板驱动机构的条件下，可以实现卫星太阳帆板应急对日，进而保证卫星能源安全。

Description

一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法

技术领域

本发明涉及一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，属于卫星控制技术领域。

背景技术

太阳敏感器测量帆板法向与太阳的夹角，可以作为帆板对日的测量基准。太阳帆板驱动机构可以转动帆板，从而实现帆板对日。当前高轨道卫星使用太阳捕获模式作为确保卫星能源安全的最后保命手段。该模式使用太阳敏感器实现全天球搜索太阳，并使用太阳帆板驱动机构将太阳帆板指向太阳方向。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，在不使用太阳敏感器和太阳帆板驱动机构的条件下，也可以实现帆板应急对日。

本发明的技术方案是：

一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，包括步骤如下：

1)控制卫星，使卫星实时角速度投影在卫星本体系三轴上的分量均低于姿态稳定槛值；所述姿态稳定槛值的取值不大于0.1°/s；优选的，所述姿态稳定槛值的取值不大于0.07°/s；

2)根据太阳帆板法线在卫星本体系中的投影，确定角速度偏置方向矢量；

3)根据太阳帆板输出电流的变化和步骤2)确定的所述角速度偏置方向矢量，调整卫星角速度，使卫星的太阳帆板法向矢量指向太阳。

所述步骤2)角速度偏置方向矢量具体包括：第一次转动方向矢量v₁和第二次转动方向矢量v₂，具体为：

其中，| |表示对矢量求模；

当|a|＞|b|，且|a|＞|c|时：

当|b|＞|a|，且|b|＞|c|时：

其余情况，则：

其中，[a b c]^T为太阳帆板法线单位矢量在卫星本体系中的投影，k₁和k₂为不全为零的实数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明中使用的应急对日方法不要求配置太阳敏感器和太阳帆板驱动机构。对于新研卫星，可以考虑不配置太阳敏感器和太阳帆板驱动机构，从而减少配置，在保证卫星安全性的前提下降低成本；对于配置有太阳敏感器和太阳帆板驱动机构的卫星，若太阳敏感器和太阳帆板驱动机构发生故障，卫星也具备应急对日的能力，从而确保能源安全。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，如图1所示，包括步骤如下：

1)以陀螺为测量敏感器，控制卫星，使卫星实时角速度投影在卫星本体系三轴上的分量均低于姿态稳定槛值；所述姿态稳定槛值的取值不大于0.1°/s；优选的，所述姿态稳定槛值的取值不大于0.07°/s；

2)卫星计算机根据太阳帆板法线在卫星本体系中的投影，确定角速度偏置方向矢量；所述角速度偏置方向矢量具体包括：第一次转动方向矢量v₁和第二次转动方向矢量v₂，具体为：

其中，| |表示对矢量求模；

当|a|＞|b|，且|a|＞|c|时：

当|b|＞|a|，且|b|＞|c|时：

其余情况，则：

其中，[a b c]^T为太阳帆板法线单位矢量在卫星本体系中的投影，a，b，c的值取决于太阳帆板的方位。k₁和k₂为不全为零的实数，k₁和k₂的值在实数范围内可以任意选取。

3)根据太阳帆板输出电流的变化和步骤2)确定的所述角速度偏置方向矢量，调整卫星角速度，使卫星的太阳帆板法向矢量指向太阳。

所述步骤3)使卫星太阳帆板法向矢量指向太阳的方法，包括步骤如下：

31)根据所述步骤2)所述第一次转动方向矢量v₁，进行卫星太阳帆板粗对准工作，当完成卫星太阳帆板粗对准工作后进入步骤32)；

32)根据所述步骤2)所述第二次转动方向矢量v₂，进行卫星太阳帆板精对准工作，使卫星的太阳帆板法向矢量指向太阳。

所述步骤31)进行卫星太阳帆板粗对准工作的方法，包括步骤如下：

311)调整卫星角速度的方向，当所述卫星角速度的方向与v₁的方向相同后，进入步骤312)；

312)判断太阳帆板的输出电流是否随时间变小，若太阳帆板的输出电流随时间变小，则进入步骤313)，若太阳帆板的输出电流不随时间变小，则进入步骤314)；

313)调整卫星当前的角速度的方向，令卫星角速度的方向与矢量v₁的方向相反，不改变卫星角速度的大小，此时太阳帆板的输出电流随时间增大，持续监视太阳帆板的输出电流随时间的变化，当电流再次随时间变小时，则进入步骤315)；

314)保持卫星当前角速度的大小和方向不变，直至太阳帆板的输出电流随时间变小后，进入步骤315)；

315)置卫星角速度目标值为0，从而维持当前卫星三轴姿态，完成卫星太阳帆板粗对准工作。

所述步骤32)进行卫星太阳帆板精对准工作的方法，包括步骤如下：

321)调整卫星角速度的方向，当所述卫星角速度的方向与v₂的方向相同后，进入步骤322)；

322)判断太阳帆板的输出电流是否随时间变小，若太阳帆板的输出电流随时间变小，则进入步骤323)，若太阳帆板的输出电流不随时间变小，则进入步骤324)；

323)调整卫星当前的角速度的方向，使卫星角速度的方向与v₂的方向相反，不改变卫星角速度的大小，此时太阳帆板的输出电流随时间增大，持续监视太阳帆板的输出电流随时间的变化，当电流再次随时间变小时，则进入步骤325)；

324)保持卫星当前的角速度的大小和方向不变，直至太阳帆板的输出电流随时间变小后，再进入步骤325)；

325)置卫星角速度目标值为0，从而维持当前卫星三轴姿态，完成卫星太阳帆板精对准工作。

实施例

某卫星由于推力器泄漏，导致卫星姿态失控。当前状态为卫星的三轴角速度分别为1,-1,1度/秒，卫星的姿态未知，卫星蓄电池电量不断下降，急需帆板对日以保证能源安全。

帆板应急对日方法的实施过程如下：

1)完成速率阻尼，即以陀螺为测量敏感器将卫星的角速度控制到零附近。该方法属本领域专业技术人员的公知技术。实施的结果是三轴角速度由1,-1,1度/秒降低到0,0,0度/秒。

2)卫星计算机根据帆板法线在卫星本体系中的投影，计算角速度偏置方向矢量v₁和v₂。

此时帆板法线在卫星本体系中的投影为单位矢量[1 0 0]^T，选取k₁＝1和k₂＝0，计算得：

易知，v₁和v₂与帆板法线相垂直，而且v₁和v₂也互相垂直。可知，卫星绕着矢量v₁和v₂进行转动，能够将帆板法线指向三维空间的中任何一个方向。这是步骤3)和步骤4)的搜索原理。

3)根据角速度偏置方向矢量

建立角速度偏置，搜索太阳。具体为：

3.1)记录当前的帆板输出电流，假定当前帆板输出电流为10A。

3.2)建立角速度偏置，其方向为

其大小根据卫星实际情况，取为0.5度/秒。

3.3)建立角速度偏置后，即此时卫星的三轴角速度分别为0,0.5,0度/秒，跳到步骤3.4)。

3.4)由于卫星相对于太阳的姿态未知，卫星绕着v₁转动存在三种工况：帆板输出电流越来越大、帆板输出电流越来越小和帆板输出电流为零。前两种工况对应太阳帆板受照，第三种工况下太阳在太阳帆板背面，不受照。对于第三种工况，随着卫星转动太阳帆板将会受照，随后帆板输出电流将随时间增大。若帆板输出电流越来越小，则应该改变转动方向，即卫星绕着方向矢量-v₁转动。本实施例中判断出帆板输出电流随时间变小，此时需要将角速度的方向改为

待角速度偏置建立成功后，即此时卫星的三轴角速度分别为0,-0.5,0度/秒，跳到步骤3.5)。

3.5)经过转动方向调整，在一段时间内帆板输出电流会越来越大，在帆板输出电流达到了50A后，电流随时间变小。说明此时帆板法线已经转到了绕着v₁转动所能达到的最优位置。此时应该停止转动，即则置角速度偏置为0，清三轴陀螺积分并选用陀螺积分作为三轴姿态角输入。此时对于卫星的控制系统而言，目标姿态为当前姿态，目标角速度为零。

在目标姿态下，太阳矢量位于太阳帆板法线和v₁所组成的平面内，若要实现太阳帆板法线指向太阳矢量，卫星需要绕着与太阳帆板法线和v₁所组成的平面相垂直的方向矢量转动，即绕着v₂转动。这就是步骤4)所要完成的。

4)根据角速度偏置方向矢量v₂建立角速度偏置，搜索太阳。具体为：

4.1)记录当前的帆板输出电流50A。

4.2)建立角速度偏置，其方向为

其大小根据卫星实际情况定为0.5度/秒。

4.3)建立角速度偏置后，即此时卫星的三轴角速度分别为0,0,0.5度/秒，跳到步骤4.4)。

4.4)判断帆板输出电流随时间增大后，直接跳到步骤4.5)。

4.5)经过2分钟后，帆板输出电流变为100A，随后电流随时间减小，则此时太阳帆板法线指向了太阳，位于最优位置。

于是置角速度偏置为0，清三轴陀螺积分并选用陀螺积分作为三轴姿态角输入。此后卫星位于角速度为零、太阳帆板对日、能源安全的状态之下，等待地面处理。

上例说明，当卫星姿态失控，处于任意姿态和较大角速度，根据本方向可以实现帆板法线对日，从而保证能源安全。并且本方法中不需要转动太阳帆板、不需要使用太阳敏感器，从而适用于未配置太阳帆板驱动机构和太阳敏感器的卫星，也适用于太阳帆板驱动机构和太阳敏感器发生故障的卫星。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)控制卫星，使卫星实时角速度投影在卫星本体系三轴上的分量均低于姿态稳定槛值；所述姿态稳定槛值的取值不大于0.1°/s；

2)根据太阳帆板法线在卫星本体系中的投影，确定角速度偏置方向矢量；

3)根据太阳帆板输出电流的变化和步骤2)确定的所述角速度偏置方向矢量，调整卫星角速度，使卫星的太阳帆板法向矢量指向太阳；

所述步骤2)角速度偏置方向矢量具体包括：第一次转动方向矢量v₁和第二次转动方向矢量v₂，具体为：

其中，||表示对矢量求模；

当|a|＞|b|，且|a|＞|c|时：

当|b|＞|a|，且|b|＞|c|时：

其余情况，则：

其中，[a b c]^T为太阳帆板法线单位矢量在卫星本体系中的投影，k₁和k₂为不全为零的实数；

所述步骤3)使卫星太阳帆板法向矢量指向太阳的方法，包括步骤如下：

31)根据所述步骤2)所述第一次转动方向矢量v₁，进行卫星太阳帆板粗对准工作，当完成卫星太阳帆板粗对准工作后进入步骤32)；

32)根据所述步骤2)所述第二次转动方向矢量v₂，进行卫星太阳帆板精对准工作，使卫星的太阳帆板法向矢量指向太阳；

所述步骤31)进行卫星太阳帆板粗对准工作的方法，包括步骤如下：

311)调整卫星角速度的方向，当所述卫星角速度的方向与v₁的方向相同后，进入步骤312)；

312)判断太阳帆板的输出电流是否随时间变小，若太阳帆板的输出电流随时间变小，则进入步骤313)，若太阳帆板的输出电流不随时间变小，则进入步骤314)；

313)调整卫星当前的角速度的方向，令卫星角速度的方向与矢量v₁的方向相反，太阳帆板的输出电流随时间增大，持续监视太阳帆板的输出电流随时间的变化，当电流再次随时间变小时，则进入步骤315)；

314)保持卫星当前角速度的大小和方向不变，直至太阳帆板的输出电流随时间变小后，进入步骤315)；

315)维持当前卫星三轴姿态，完成卫星太阳帆板粗对准工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，其特征在于，所述步骤32)进行卫星太阳帆板精对准工作的方法，包括步骤如下：

321)调整卫星角速度的方向，当所述卫星角速度的方向与v₂的方向相同后，进入步骤322)；

322)判断太阳帆板的输出电流是否随时间变小，若太阳帆板的输出电流随时间变小，则进入步骤323)，若太阳帆板的输出电流不随时间变小，则进入步骤324)；

323)调整卫星当前的角速度的方向，使卫星角速度的方向与v₂的方向相反，太阳帆板的输出电流随时间增大，持续监视太阳帆板的输出电流随时间的变化，当电流再次随时间变小时，则进入步骤325)；

324)保持卫星当前的角速度的大小和方向不变，直至太阳帆板的输出电流随时间变小后，再进入步骤325)；

325)维持当前卫星三轴姿态，完成卫星太阳帆板精对准工作。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳帆板输出电流信息的应急对日方法，其特征在于，所述姿态稳定槛值的取值不大于0.07°/s。

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