CN111208847B - 带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，该方法包括：对于给定的太阳高度角λ，根据求解精度取偏航角θ和太阳方位角

的步长分别为θ_step和

将每个步长对应的偏航角和太阳方位角记为θ_k和

对于不同的θ_k，计算：

当λ＞0时，在θ_k的负值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角；当λ＜0时，在θ_k的正值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角。本发明的带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，综合考虑了固定偏航角与帆板驱动机构运行规律的相互影响关系，最终获取的是理论最优固定偏航角。卫星以该最优偏航角配合太阳帆板驱动机构运行，可实现该模式下理论上最大的太阳能获取效率。

Description

带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法

技术领域

本发明涉及航天器控制技术领域，尤其涉及一种带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法。

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。

现有技术中为了提高太阳帆板的对日性能，一种方式是卫星做实时的偏航机动以配合太阳帆板驱动机构来实现高精度的太阳帆板对日定向。然而该方式会导致控制系统设计难度增大，姿态控制精度降低。另一种方式采取的策略是卫星做固定偏航机动，在实现一定的太阳能获取效率的同时兼顾整星姿态控制精度。在该种方式中，获取固定偏航角的方法为：假设帆板驱动机构的运行规律不受固定偏航角的影响，通过计算一轨中获取太阳能的平均功率的最大值来计算该偏航角。

对于倾斜轨道卫星而言，以固定偏航角运行时，其太阳帆板驱动机构的运行规律与该固定偏航角有关，即不同固定偏航角对应不同的太阳帆板驱动机构运行规律。太阳能获取效率不但受到固定偏航角大小的影响，还与太阳帆板驱动机构的运行规律密切相关。因此，目前基于假设帆板驱动机构的运行规律不受固定偏航角影响的固定偏航角计算方法没有考虑到固定偏航角对帆板驱动机构运行规律的影响，因此所求的固定偏航角不是最优结果。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法。具体技术方案如下：

一种带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，所述方法包括：对于给定的太阳高度角λ，根据求解精度取偏航角θ和太阳方位角

的步长分别为θ_step和

将每个步长对应的偏航角和太阳方位角记为θ_k和

对于不同的θ_k，计算：

取使

大于零的θ_k的绝对值作为最优固定偏航角；

其中，

式中，λ表示太阳高度角，

表示太阳方位角，θ为待求解的固定偏航角。

在一种可能的设计中，轨道系的原点为卫星质心，X轴正方向为卫星速度方向，Y轴正方向为轨道负法线方向，Z轴正方向根据右手定则确定。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

根据太阳星历计算太阳高度角λ和方位角

进而得到太阳矢量在轨道系分量：

根据太阳帆板驱动机构转角ρ以及待求解的固定偏航角θ，计算得到帆板法线在轨道系分量：G_o＝[cos(θ)cos(ρ)，sin(θ)cos(ρ)，sin(ρ)]。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

计算S_o和G_o的内积：

对

求关于ρ的偏导

并令该偏导为零，可得：

将

代入

可得：

将上式简记为：

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

计算

关于θ的偏角

获得

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，综合考虑了固定偏航角与帆板驱动机构运行规律的相互影响关系，最终获取的是理论最优固定偏航角。卫星以该最优偏航角配合太阳帆板驱动机构运行，可实现该模式下理论上最大的太阳能获取效率。

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带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法流程图。

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带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，如附图1所示，该方法包括：

对于给定的太阳高度角λ，根据求解精度取偏航角θ和太阳方位角

的步长分别为θ_step和

将每个步长对应的偏航角和太阳方位角记为θ_k和

对于不同的θ_k，计算：

；当λ＞0时，在θ_k的负值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角；当λ＜0时，在θ_k的正值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角；

其中，

式中，λ表示太阳高度角，

表示太阳方位角，θ为待求解的固定偏航角。

本发明实施例提供的带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，综合考虑了固定偏航角与帆板驱动机构运行规律的相互影响关系，最终获取的是理论最优固定偏航角。卫星以该最优偏航角配合太阳帆板驱动机构运行，可实现该模式下理论上最大的太阳能获取效率。

对于本发明实施例提供的最优固定偏航角确定方法，以下给出一个完整的实施例：

以卫星质心为原点，卫星速度方向为X轴正方向，轨道负法线方向为Y轴正方向，根据右手定则确定Z轴正方向，建立轨道系。

以下实施例以太阳帆板驱动机构驱动轴与本体Y轴平行、驱动零位与本体X轴重合为例进行阐述。

根据太阳星历计算太阳矢量相对轨道系的高度角λ和方位角

进而获取太阳矢量在轨道系分量：

根据太阳帆板驱动机构转角ρ以及待求解的固定偏航角θ，计算得到帆板法线在轨道系分量：G_o＝[cos(θ)cos(ρ)，sin(θ)cos(ρ)，sin(ρ)]

计算S_o和G_o的内积：

对

求关于ρ的偏导

并令该偏导为零，可得：

将tan(ρ)的结果代入

可得：

将上式简记为：

求

关于θ的偏角

对于给定的太阳高度角λ，根据求解精度取θ和

的步长分别为θ_step和

将每个步长对应的偏航角和太阳方位角记为θ_k和

对于不同的θ_k，计算：

当λ＞0时，在θ_k的负值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角；当λ＜0时，在θ_k的正值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角。

综上所述，本发明实施例提供的带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，一方面，综合考虑了固定偏航角与帆板驱动机构运行规律的相互影响关系，最终获取的是理论最优固定偏航角，卫星以该最优偏航角配合太阳帆板驱动机构运行，可实现该模式下理论上最大的太阳能获取效率。另一方面，将现有技术中复杂的积分计算转换为简单的代数运算，简化了计算流程，物理意义明确，计算方法简单。

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 (4)

1.一种带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，其特征在于，所述方法包括：

对于给定的太阳高度角λ，根据求解精度取偏航角θ和太阳方位角

的步长分别为θ_step和

将每个步长对应的偏航角和太阳方位角记为θ_k和

对于不同的θ_k，计算：

当λ＞0时，在θ_k的负值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角；当λ＜0时，在θ_k的正值区间内

序列点由正到负过零点θ_k即为所求的最优固定偏航角；其中，

式中，λ表示太阳高度角，

表示太阳方位角，θ为待求解的固定偏航角；

计算太阳矢量在轨道系分量S_o和帆板法线在轨道系分量G_o的内积：

式中，ρ表示太阳帆板驱动机构转角；

对

求关于ρ的偏导

并令该偏导为零，可得：

将

代入

可得：

将上式简记为：

2.根据权利要求1所述的带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，其特征在于，

轨道系的原点为卫星质心，X轴正方向为卫星速度方向，Y轴正方向为轨道负法线方向，Z轴正方向根据右手定则确定。

3.根据权利要求2所述的带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据太阳星历计算太阳高度角λ和方位角

进而得到太阳矢量在轨道系分量：

根据太阳帆板驱动机构转角ρ以及待求解的固定偏航角θ，计算得到帆板法线在轨道系分量：G_o＝[cos(θ)cos(ρ)，sin(θ)cos(ρ)，sin(ρ)]。

4.根据权利要求1所述的带太阳帆板的倾斜轨道卫星对日最优固定偏航角确定方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算

关于θ的偏角

获得

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