CN111176313B - 倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法 - Google Patents

倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，该方法包括：根据卫星太阳高度角β，选择太阳帆板对日控制模式。当|β|≤15°时，卫星不偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转。当15°＜|β|≤45°时，卫星以固定角度偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转。当45°＜|β|时，卫星实时偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转。本发明的倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，综合考虑了太阳能获取效率与姿态控制精度之间的关系，在保证太阳帆板对日性能良好的前提下，能降低能源消耗和姿轨控系统设计难度，提高卫星姿态控制精度，使卫星达到较优的综合性能。

Description

倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法
技术领域
本发明涉及星载设备技术领域，尤其涉及一种倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法。
背景技术
倾斜轨道卫星指的是人造卫星绕地球圆周运动的轨道与赤道之间的倾角＞0的卫星，这种卫星可对一个地方实施定点侦查，还可以进行不同纬度的气象观测。对于带单自由度太阳帆板的卫星，由于升交点赤经变化和地球公转，太阳矢量与卫星轨道面的夹角呈大角度变化，由此导致的太阳能损失较大。
现有技术中，一般通过卫星做实时的偏航运动，配合太阳帆板的驱动机构带动太阳帆板转动使太阳帆板对日定向。实时的偏航机动控制虽然提高了帆板对日精度，但是也给卫星姿态带来了一定的扰动，对卫星姿态控制系统要求较高。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法。具体技术方案如下：
一种倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，所述方法包括：
根据卫星太阳高度角β，选择太阳帆板对日控制模式：
当|β|≤15°时，卫星不偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转；
当15°＜|β|≤45°时，卫星以固定角度偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转；
当45°＜|β|时，卫星实时偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转。
在一种可能的设计中，卫星实时偏航时，通过下述步骤获取偏航角：
根据太阳星历与卫星轨道参数，求解太阳矢量在轨道系的表示：So＝[Sox,Soy,Soz]T；
若Sox＞0且Soy＞0，yaw＝a tan(|Soy/Sox|)；
若Sox＜0且Soy＞0，yaw＝π-a tan(|Soy/Sox|)；
若Sox＜0且Soy＜0，yaw＝a tan(|Soy/Sox|)-π；
若Sox＞0且Soy＜0，yaw＝-a tan(|Soy/Sox|)；
式中，yaw表示偏航角。
在一种可能的设计中，所述方法还包括：
根据偏航角和太阳矢量，获取中间变量Son；
Son＝[cos(yaw)Sox+sin(yaw)Soy,cos(yaw)Soy-sin(yaw)Sox,Soz]T，
根据中间变量Son，获取太阳帆板理论转角：
若Sonx＞0且Sonz＞0，rotate＝π-a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＜0且Sonz＞0，rotate＝-π+a tan(Sonx/Sonz|)；
若Sonx＜0且Sonz＜0，rotate＝-a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＞0且Sonz＜0，rotate＝a tan(|Sonx/Sonz|)；
太阳帆板驱动机构根据理论转角带动太阳帆板翻转。
在一种可能的设计中，太阳帆板驱动机构根据理论转角带动太阳帆板翻转，包括：
根据控制精度给定控制步长；
若太阳帆板理论转角与太阳帆板当前转角的差值在控制步长以内时，太阳帆板驱动机构不动作；
若太阳帆板理论转角与太阳帆板当前转角的差值大于控制步长时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至理论转角。
在一种可能的设计中，根据控制精度给定转角到位误差阈值，当太阳帆板角度与理论转角之间的差值小于转角到位误差阈值时，判定太阳帆板转动到位。
在一种可能的设计中，太阳帆板理论转角在太阳帆板转动限幅值以内时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至理论转角；太阳帆板理论转角超过太阳帆板转动限幅值时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至同向限幅值。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，综合考虑了太阳能获取效率与姿态控制精度之间的关系，在保证太阳帆板对日性能良好的前提下，能降低能源消耗和姿轨控系统设计难度，提高姿态控制精度，使卫星达到较优的综合性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例提供的倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
本发明实施例提供了一种倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，该方法包括：
根据卫星太阳高度角β，选择太阳帆板对日控制模式：
当|β|≤15°时，卫星不偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转，即，星体零偏航+帆板驱动机构转动模式。当卫星太阳高度角很小时，此时只需太阳帆板翻转即可使太阳帆板保持较佳的光照率。
当15°＜|β|≤45°时，卫星以固定角度偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转，即，星体固定偏航+帆板驱动机构转动模式。当卫星太阳高度角较小时，仅依靠太阳帆板翻转无法保持较佳的光照率，此时需要卫星以固定角度偏航，以提高对日定向效果。
当45°＜|β|时，卫星实时偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转，即，星体实时偏航+帆板驱动机构转动模式。当卫星太阳高度角较大时，在太阳帆板翻转的基础上，需要卫星实时偏航，来保持较佳的对日定向效果。
本发明实施例提供的倾斜轨道卫星转角受限单自由度太阳帆板对日定向控制方法，通过卫星太阳高度角选择太阳帆板的控制模式，卫星太阳高度角在45°以内时，卫星无需偏航或进行固定偏航即可，降低了姿轨控系统设计要求，较小了能源消耗。当卫星太阳高度角大于45°时，卫星实时偏航配合太阳帆板翻版，保持良好的对日定向性能。综上，本发明实施例的定向控制方法，综合考虑了太阳能获取效率与姿态控制精度之间的关系，在保证太阳帆板对日性能良好的前提下，能降低能源消耗和姿轨控系统设计难度，提高姿态控制精度，使卫星达到较优的综合性能。
其中，上述星体零偏航+帆板驱动机构转动模式，设置偏航角为yaw＝0°；对于星体固定偏航+帆板驱动机构转动模式，设置偏航角为yaw＝yaw_insert，yaw_insert是上注的偏航角，其为给定值；对于星体实时偏航+帆板驱动机构转动模式，通过下述步骤获取偏航角：
根据太阳星历与卫星轨道参数，求解太阳矢量在轨道系的表示：So＝[Sox,Soy,Soz]T；
若Sox＞0且Soy＞0，yaw＝atan(|Soy/Sox|)；
若Sox＜0且Soy＞0，yaw＝π-a tan(|Soy/Sox|)；
若Sox＜0且Soy＜0，yaw＝-π+a tan(|Soy/Sox|)；
若Sox＞0且Soy＜0，yaw＝-a tan(|Soy/Sox|)；
式中，yaw表示偏航角。
其中，上述的轨道系的原点位于卫星质心，X轴沿卫星速度方向，Y轴指向轨道负法线方向，Z轴满足右手螺旋定则。
可以理解的是，单自由度太阳帆板的对日定向效果由卫星偏航角度和太阳帆板转角两方面因素确定。基于此，本发明实施例提供的方法还包括：
确定各模式下的偏航角之后，根据偏航角和太阳矢量，获取中间变量Son；
Son＝[cos(yaw)Sox+sin(yaw)Soy,cos(yaw)Soy-sin(yaw)Sox,Soz]T，
根据中间变量Son，获取太阳帆板理论转角：
若Sonx＞0且Sonz＞0，rotate＝π-a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＜0且Sonz＞0，rotate＝-π+a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＜0且Sonz＜0，rotate＝-a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＞0且Sonz＜0，rotate＝a tan(|Sonx/Sonz|)；
太阳帆板驱动机构根据理论转角带动太阳帆板翻转。
如此设置，将太阳帆板的理论转角与卫星偏航角有机地联系在一起，确保卫星在不同的偏航角下太阳帆板均能保持对应地转角，进而提高对日效果。上述中的Sonx为cos(yaw)Sox+sin(yaw)Soy，Sonz为Soz。
进一步地，对于太阳帆板驱动机构如何根据理论转角带动太阳帆板翻转，以下进行详细阐述：
太阳帆板驱动机构根据理论转角带动太阳帆板翻转，包括：
根据控制精度给定控制步长；若太阳帆板理论转角与太阳帆板当前转角的差值在控制步长以内时，太阳帆板驱动机构不动作；若太阳帆板理论转角与太阳帆板当前转角的差值大于控制步长时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至理论转角。
进一步地，根据控制精度给定转角到位误差阈值，当太阳帆板角度与理论转角之间的差值小于转角到位误差阈值时，判定太阳帆板转动到位。
实施时，记前次发送给帆板驱动控制器的转角指令值(即，太阳帆板当前转角)为rotatecmd，取控制步长为rotatestep，取转角到位误差阈值为rotateerror，当|rotate-rotatecmd|＞rotatestep时，取当前控制指令rotatecmd＝rotate，帆板驱动控制器以rotatecmd为转角指令动作，直到|rotate-rotatecmd|＜rotateerror结束此次动作。该过程可概括为：帆板驱动机构步长处理。
本发明实施例提供的控制方法还包括：太阳帆板理论转角在太阳帆板转动限幅值以内时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至理论转角。太阳帆板理论转角超过太阳帆板转动限幅值时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至限幅值。
实施时，记帆板驱动机构硬件限位为±rotatehard_limit，若|rotatecmd|＜rotatehard_limit，驱动机构控制器驱动帆板转角至rotatecmd转角；若|rotatecmd|＞rotatehard_limit，驱动机构控制器驱动帆板转角至sign(rotatecmd)*rotatehard_limit转角。该过程可概括为帆板驱动机构控制器限幅处理。
综上所述，本发明实施例提供的倾斜轨道卫星单自由度太阳太阳帆板对日定向控制方法，一方面，采用复合的帆板对日控制模式，综合考虑了太阳能获取效率与姿态控制精度之间的关系，使卫星达到较优的综合性能。另一方面，太阳帆板驱动机构采用步长控制，有效降低了太阳帆板运动对星体姿态的影响。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，所述方法包括：
根据卫星太阳高度角β，选择太阳帆板对日定向控制模式：
当|β|≤15°时，卫星不偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转；
当15°＜|β|≤45°时，卫星以固定角度偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转；
当45°＜|β|时，卫星实时偏航，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转，
其特征在于，卫星实时偏航时，太阳帆板驱动机构根据理论转角带动太阳帆板翻转，其中太阳帆板理论转角通过下述步骤获取：
获取偏航角yaw：根据太阳星历与卫星轨道参数，求解太阳矢量在轨道系的表示：So＝[Sox,Soy,Soz]T，
若Sox＞0且Soy＞0，yaw＝a tan(|Soy/Sox|)；
若Sox＜0且Soy＞0，yaw＝π-a tan(|Soy/Sox|)；
若Sox＜0且Soy＜0，yaw＝-π+a tan(|Soy/Sox|)；
若Sox＞0且Soy＜0，yaw＝-a tan(|Soy/Sox|)；
根据偏航角和太阳矢量，获取中间变量Son：
Son＝[cos(yaw)Sox+sin(yaw)Soy,cos(yaw)Soy-sin(yaw)Sox,Soz]T；
根据中间变量Son，获取太阳帆板理论转角rotate：
若Sonx＞0且Sonz＞0，rotate＝π-a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＜0且Sonz＞0，rotate＝-π+a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＜0且Sonz＜0，rotate＝-a tan(|Sonx/Sonz|)；
若Sonx＞0且Sonz＜0，rotate＝a tan(|Sonx/Sonz|)；
并且，太阳帆板驱动机构根据理论转角带动太阳帆板翻转包括：
根据控制精度给定控制步长；
若太阳帆板理论转角与太阳帆板当前转角的差值在控制步长以内时，太阳帆板驱动机构不动作；
若太阳帆板理论转角与太阳帆板当前转角的差值大于控制步长时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至理论转角。
2.根据权利要求1所述的倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，其特征在于，根据控制精度给定转角到位误差阈值，当太阳帆板角度与理论转角之间的差值小于转角到位误差阈值时，判定太阳帆板转动到位。
3.根据权利要求1或2所述的倾斜轨道卫星单自由度太阳帆板对日定向控制方法，其特征在于，太阳帆板理论转角在太阳帆板转动限幅值以内时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至理论转角；太阳帆板理论转角超过太阳帆板转动限幅值时，太阳帆板驱动机构带动太阳帆板翻转至同向限幅值。
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