CN111605732B - 一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法 - Google Patents

一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法 Download PDF

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Abstract

一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，基于太阳翼电流信息实现卫星对日定向，利用太阳帆板的电流信息来控制星体转动，使帆板对日角度控制在要求范围内，解决了传统的在轨使用的太阳敏感器在安装后容易发生异常且无法实现对日的问题，在不提升敏感器安装数量和成本的情况下也能实现对日定向。

Description

一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法
技术领域
本发明涉及一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，属于航天器姿态确定领域。
背景技术
三轴对地卫星在能源安全模式下通常先将太阳翼转动到指定角度，再通过星体或太阳翼上的太阳敏感器控制卫星姿态使太阳翼的法线尽量指向太阳，以保证卫星能源，而太阳翼实际输出电流＝太阳翼理论最大电流*cosθ,θ是太阳翼法线与太阳光矢量的夹角，取值范围0-180度。当θ≥90度时太阳翼的实际输出电流为0。
在轨常使用的太阳敏感器有0-1式太阳敏感器、数字式太阳敏感器、模拟式太阳敏感器。这些敏感器虽然体积不大，重量较轻，功耗也很小，但卫星必须配置有这些敏感器且在敏感器安装过程中需考虑卫星结构避免发生遮挡问题。当安装的敏感器发生异常后卫星也将无法实现对日。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的在轨使用的太阳敏感器在安装后容易发生异常且无法实现对日的问题，提出了一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，步骤如下：
(1)进入对日搜索流程，测量星体初始姿态下帆板的电流值，对卫星运行参数进行初始化，并记录当前时刻星体初始姿态数据；
(2)判断步骤(1)测得星体初始姿态下电流值是否大于预设搜索电流阈值，若大于等于预设电流阈值，则进入太阳快速捕获流程，捕获完成后进入步骤(3)；若小于等于预设电流阈值，则进入太阳360度捕获流程，捕获完成后进入步骤(3)；
(3)获取对日搜索流程完成后的星体待定向姿态下电流值，记录星体待定向姿态数据，并控制卫星保持在完成对日搜索后帆板最大电流位置对应的待定向姿态，完成对日搜索，进入对日定向流程；
(4)将步骤(3)所得星体待定向姿态数据中包含的电流值与预设定向电流阈值进行比较，若小于预设定向电流阈值，则进入对日定向快速捕获流程，否则不进行对日定向快速捕获，于当前星体运行周期内保持卫星漂浮状态直至之后任一星体运行周期内待定向姿态下电流值小于等于预设定向电流阈值时，进入对日定向快速捕获流程，完成星体对日定向。
所述步骤(2)中，太阳快速捕获流程步骤具体为：
(2-1)利用卫星陀螺敏感器及星上执行机构控制星体以特定角速度绕X轴正向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-2)若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则判断上一个测量点是否为星体初始姿态的第一个测量点，若不是则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点，并进入步骤(2-4)；否则改变星体转动方向，控制星体绕X轴反向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-3)在步骤(2-2)基础上，若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点；
(2-4)利用卫星陀螺敏感器及星上执行机构控制星体以特定角速度绕Y轴正向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-5)若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则判断上一个测量点是否为星体绕X轴转动的最大电流点对应的位置，若不是则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕Y轴转动的最大电流点，即找到星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点，将星体转动至最大电流点对应的位置，完成对日搜索流程；否则改变星体转动方向，控制星体绕Y轴反向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-6)在步骤(2-5)基础上，若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕Y轴转动的最大电流点，找到星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点后完成对日搜索流程。
所述步骤(2)中，太阳360度捕获流程步骤具体为：
(2-7)控制星体绕X轴转动360度，记录各角度对应的太阳帆板电流值；
(2-8)于步骤(2-7)记录的电流值中确定最大电流值，并重新控制星体转动至该最大电流值对应角度；
(2-9)控制星体绕Y轴转动360度，记录各角度对应的太阳帆板电流值；
(2-10)于步骤(2-9)记录的电流值中确定最大电流值，并重新控制星体转动至该最大电流值对应角度，找到星体太阳帆板最大电流值对应位置，完成对日搜索。
所述对日定向快速捕获流程与太阳快速捕获流程相同。
所述步骤(2)内对日搜索流程的预设搜索电流阈值与步骤(4)内对日定向流程的预设定向电流阈值均根据卫星任务需求确定。
所述快速捕获流程中，星体转动的特定角速度根据陀螺测量范围确定，范围在-5度/s～+5度/s范围内。
所述快速捕获流程中，所述星体转动的特定角度范围根据整星能源需求确定，范围在-45度～+45度范围内。
所述快速捕获流程中，测量点数量根据帆板对日精度要求确定，范围为18～180个。
所述360度捕获流程中，测量点数量根据帆板对日精度要求确定，范围为36～360个。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，利用太阳帆板的电流信息来控制星体转动，使帆板对日角度控制在要求范围内，基于太阳翼电流信息实现卫星对日定向，可以不使用其它敏感器实现对日，采用该算法可以减少卫星上敏感器的配置数量，或者在敏感器出现异常时也能保证太阳翼对日，甚至帆板在无法转动至指定角度的情况下也可实现对日，提高卫星的安全性，在不提升敏感器安装数量和成本的情况下也能实现对日定向。
附图说明
图1为发明提供的对日搜索流程图；
图2为发明提供的X轴快速捕获太阳流程图；
图3为发明提供的Y轴快速捕获太阳流程图；
图4为发明提供的X轴360度捕获太阳流程图；
图5为发明提供的Y轴360度捕获太阳流程图；
图6为发明提供的对日定向流程图；
具体实施方式
一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，主要包括对日搜索与对日定向两部分，电流值均为太阳帆板的电流值，对日搜索部分为在卫星星体初始位置能见到太阳且星体初始姿态电流值不满足条件的情况下，通过快速捕获流程或360度捕获流程进行帆板对日操作的过程，能够减少对日定向的时间；而在对日定向部分，对经过对日搜索调整后的星体姿态电流值进行判断，以此进行对日定向，整体流程如图1所示，具体步骤为：
第一步，开始对日搜索流程，测量星体初始姿态下电流值，并记录当前时刻星体初始姿态数据，作为后续进行捕获的基础；
第二步，根据提前设定的预设搜索电流阈值，判断第一步中测量的星体初始姿态下电流值是否大于预设搜索电流阈值，若大于等于预设电流阈值，则进入太阳快速捕获流程，捕获完成后即可结束对日搜索过程；
若小于等于预设电流阈值，则进入太阳360度捕获流程，捕获完成后即可结束对日搜索过程；
其中，如图2所示，Sun_current(x)表示每个测量点对应太阳帆板电流。Sun_current(1)是星体初始姿态下电流值，后续步骤中每增加一个测量点的太阳帆板电流，x加1。A代表X轴正向转动结束时测量点的总数量。B代表X轴反向转动结束时测量点的总数量。太阳快速捕获流程步骤具体为：
(2-1)利用卫星陀螺敏感器及星上执行机构控制星体以特定角速度绕X轴正向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录Sun_current(x)，同时与上一个测量点记录电流数据Sun_current(x-1)进行比较；
(2-2)若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动；若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则判断上一个测量点是否为星体初始姿态，若不是则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点，跳至(2-4)步骤；否则改变星体转动反向，控制星体绕X轴反向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-3)在步骤(2-2)基础上，若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点；
(2-4)将星体转动至步骤(2-3)或步骤(2-3)中最大电流点对应的位置，此时的电流记作Sun_current(C)；
(2-5)如图3所示，Sun_current(x)表示每个测量点对应太阳帆板电流。Sun_current(C)是步骤(2-4)中确定的最大电流，后续步骤中每增加一个测量点的太阳帆板电流，x加1。D代表Y轴正向转动结束时测量点的总数量，E代表Y轴反向转动结束时测量点的总数量。利用卫星陀螺敏感器及星上执行机构控制星体以特定角速度绕Y轴正向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-6)若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则判断上一个测量点是否为步骤(2-4)中确定的最大电流点对应的位置，若不是则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕Y轴转动的最大电流点，即找到星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点，将星体转动至最大电流点对应的位置，完成对日搜索流程；否则改变星体转动反向，控制星体绕Y轴反向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-7)在步骤(2-6)基础上，若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕Y轴转动的最大电流点，即找到星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点，将星体转动至最大电流点对应的位置，完成对日搜索流程；
快速捕获流程主要是通过选取不同测量点进行对比，选取最大电流值的对应测量点，此时太阳帆板正对太阳面积最大；
其中，体转动的特定角速度根据陀螺测量范围确定，或范围在-5度/s～+5度/s范围内，星体转动的特定角度范围根据整星能源需求确定，或范围在-45度～+45度范围内；
太阳360度捕获流程步骤具体为：
(2-7)如图4所示，控制星体绕X轴转动360度，记录各角度对应的太阳帆板电流值；
(2-8)于步骤(2-7)记录的电流值中确定最大电流值，并重新控制星体转动至该最大电流值对应角度；
(2-9)如图5所示，控制星体绕Y轴转动360度，记录各角度对应的太阳帆板电流值；
(2-10)于步骤(2-9)记录的电流值中确定最大电流值，并重新控制星体转动至该最大电流值对应角度，找到星体太阳帆板最大电流值对应位置，完成对日搜索；
360度捕获流程主要是通过转动一周直接选取电流最大值的角度，以该电流值对应位置作为太阳帆板正对太阳面积最大的位置；
第三步，获取对日搜索流程完成后的星体待定向姿态下电流值，记录星体待定向姿态数据，控制卫星保持在完成对日搜索后帆板最大电流位置对应的待定向姿态，完成对日搜索，进入对日定向流程；
第四步，进行对日定向流程，如图6所示，将星体待定向姿态下电流值与预设定向电流阈值进行比较，若小于预设定向电流阈值，则进入对日定向快速捕获流程，否则于当前星体运行周期内不进行对日定向快速捕获，于当前星体运行周期内保持卫星漂浮状态直至之后任一星体运行周期内待定向姿态下电流值小于等于预设定向电流阈值时，进入对日定向快速捕获流程，完成星体对日定向。
其中，当星体待定向姿态下电流值大于等于预设定向电流阈值时，不对卫星进行额外控制，此时卫星会在外部影响作用下于本周期内漂浮，为漂浮状态。
对日定向快速捕获流程与太阳快速捕获流程相同，步骤(2)内对日搜索流程的预设搜索电流阈值与步骤(4)内对日定向流程的预设定向电流阈值均根据卫星任务需求确定。
快速捕获流程中，星体转动的特定角速度根据陀螺测量范围确定，范围在-5度/s～+5度/s范围内，星体转动的特定角度范围根据整星能源需求确定，范围在-45度～+45度范围内；
快速捕获流程中，测量点数量根据帆板对日精度要求确定，范围为18～180个；360度捕获流程中，测量点数量根据帆板对日精度要求确定，范围为36～360个。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
当太阳帆板在初始位置即见到太阳的情况下，记录卫星星体当前初始姿态下电流值为0.597789，同时记录当前时刻星体初始姿态数据，具体为(x0,y0,z0)；
在对日搜索流程中，预设搜索电流阈值为0.5，判断对比后可得星体初始姿态下电流值大于预设搜索电流阈值，进入太阳快速捕获流程；
控制星体以1度/s角速度绕X轴正向转动，每转动5角则将卫星当前姿态作为一个测量点，共有4个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较，各测量点对应的测量电流值如下表：
Figure BDA0002465686960000081
如上表所示，第2个～第5个测量点测量电流数据均不大于上一个测量点的测量电流数据，此时改变星体转动方向，控制星体绕X轴反向转动，每转动相同的5角重复进行测量点电流数据测量及标记，同时在第12个测量点时，发现该测量点电流值不大于上一个测量点的测量电流数据，此时可将第11个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点，并将星体转动到第11个测量点的位置；
Figure BDA0002465686960000091
在上述操作基础上，控制星体以1度/s角速度绕Y轴正向转动，每转动5角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，共有12个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较，各测量点对应的测量电流值如下表：
Figure BDA0002465686960000092
如上表所示，在第22个测量点开始，测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，此时可将第22个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点；
对日搜索流程结束，进入对日定向流程。星体待定向姿态下电流值此时测量为0.739627)，预设定向电流阈值为0.8，可知星体待定向姿态下电流值小于预设定向电流阈值，进入对日定向快速捕获流程；
在对日定向快速捕获流程中，控制星体以1度/s角速度绕X轴正向转动，每转动5角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，共有4个测量点，具体测量记录数据如下表：
Figure BDA0002465686960000101
第2个～第5个测量点测量电流数据均不大于上一个测量点的测量电流数据，此时改变星体转动方向，控制星体绕X轴反向转动，每转动相同的5角重复进行测量点电流数据测量及标记，同时在第14个测量点时，发现该测量点电流值不大于上一个测量点的测量电流数据，此时可将第13个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点，并将星体转动到第13个测量点的位置；
Figure BDA0002465686960000102
继续进行测量，控制星体以1度/s角速度绕Y轴正向转动，每转动5角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，共有4个测量点，测量电流值如下表：
Figure BDA0002465686960000111
如上表所示，第19～第22个测量点测量点电流值均不大于第13个测量点电流，此时改变星体转动方向，控制星体绕Y轴反向转动，每转动相同的5角重复进行测量点电流数据测量及标记。
Figure BDA0002465686960000112
第23个～第26个测量点电流值均不大于第13个测量点电流值，此时可将第13个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点，完成对日定向。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于步骤如下：
(1)进入对日搜索流程，测量星体初始姿态下帆板的电流值，对卫星运行参数进行初始化，并记录当前时刻星体初始姿态数据；
(2)判断步骤(1)测得星体初始姿态下电流值是否大于预设搜索电流阈值，若大于等于预设电流阈值，则进入太阳快速捕获流程，捕获完成后进入步骤(3)；若小于等于预设电流阈值，则进入太阳360度捕获流程，捕获完成后进入步骤(3)；
(3)获取对日搜索流程完成后的星体待定向姿态下电流值，记录星体待定向姿态数据，并控制卫星保持在完成对日搜索后帆板最大电流位置对应的待定向姿态，完成对日搜索，进入对日定向流程；
(4)将步骤(3)所得星体待定向姿态数据中包含的电流值与预设定向电流阈值进行比较，若小于预设定向电流阈值，则进入对日定向快速捕获流程，否则不进行对日定向快速捕获，于当前星体运行周期内保持卫星漂浮状态直至之后任一星体运行周期内待定向姿态下电流值小于等于预设定向电流阈值时，进入对日定向快速捕获流程，完成星体对日定向。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，太阳快速捕获流程步骤具体为：
(2-1)利用卫星陀螺敏感器及星上执行机构控制星体以特定角速度绕X轴正向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-2)若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则判断上一个测量点是否为星体初始姿态的第一个测量点，若不是则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点，并进入步骤(2-4)；否则改变星体转动方向，控制星体绕X轴反向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-3)在步骤(2-2)基础上，若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕X轴转动的最大电流点；
(2-4)利用卫星陀螺敏感器及星上执行机构控制星体以特定角速度绕Y轴正向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-5)若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则判断上一个测量点是否为星体绕X轴转动的最大电流点对应的位置，若不是则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕Y轴转动的最大电流点，即找到星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点，将星体转动至最大电流点对应的位置，完成对日搜索流程；否则改变星体转动方向，控制星体绕Y轴反向转动，每转动特定角度则将卫星当前姿态作为一个测量点，于每个测量点对太阳帆板电流进行测量并记录，同时与上一个测量点记录电流数据进行比较；
(2-6)在步骤(2-5)基础上，若当前测量点测量电流数据大于上一个测量点的测量电流数据，则继续进行转动，若当前测量点测量电流数据不大于上一个测量点的测量电流数据，则将上一个测量点的测量电流数据作为星体绕Y轴转动的最大电流点，找到星体绕X轴、Y轴转动的最大电流点后完成对日搜索流程。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，太阳360度捕获流程步骤具体为：
(2-7)控制星体绕X轴转动360度，记录各角度对应的太阳帆板电流值；
(2-8)于步骤(2-7)记录的电流值中确定最大电流值，并重新控制星体转动至该最大电流值对应角度；
(2-9)控制星体绕Y轴转动360度，记录各角度对应的太阳帆板电流值；
(2-10)于步骤(2-9)记录的电流值中确定最大电流值，并重新控制星体转动至该最大电流值对应角度，找到星体太阳帆板最大电流值对应位置，完成对日搜索。
4.根据权利要求2所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：所述对日定向快速捕获流程与太阳的快速捕获流程相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：所述步骤(2)内对日搜索流程的预设搜索电流阈值与步骤(4)内对日定向流程的预设定向电流阈值均根据卫星任务需求确定。
6.根据权利要求4所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：星体转动的特定角速度根据陀螺测量范围确定，范围在-5度/s～+5度/s范围内。
7.根据权利要求6所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：所述星体转动的特定角度范围根据整星能源需求确定，范围在-45度～+45度范围内。
8.根据权利要求7所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：所述太阳快速捕获流程中，测量点数量根据帆板对日精度要求确定，范围为18～180个。
9.根据权利要求3所述的一种基于太阳帆板电流信息的对日定向方法，其特征在于：所述太阳360度捕获流程中，测量点数量根据帆板对日精度要求确定，范围为36～360个。
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