CN111792059A - 一种卫星机动路径的规划方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星机动路径的规划方法，当卫星由对日定向转为对惯性天区定向时，首先绕太阳电池阵轴向旋转，然后再绕非太阳电池阵轴向的其他轴向旋转，以保证太阳电池阵轴向旋转角度最小，进而保证能源损失最小。本发明还提供了一种卫星机动路径的规划系统。本发明的有益效果是：根据小卫星在机动过程中能源损失最小原则，规划机动路径，首先绕太阳电池阵轴向旋转，然后再绕其他轴向旋转，保证太阳电池阵轴向旋转角度最小，进而保证能源损失最小。

Description

一种卫星机动路径的规划方法与系统
技术领域
本发明涉及卫星机动路径，尤其涉及一种卫星机动路径的规划方法与系统。
背景技术
随着小卫星寿命要求的提高，通过配置太阳电池阵获取太阳能，再将太阳能转化为电能，为卫星平台和载荷提供能源。同时小卫星的功能要求也不断提高，通常要求具有机动的能力，如从对日定向机动至对惯性空间定向等。
对深空探测的小卫星，可以对不同惯性天区目标进行天文观测，包括对星等和光变的观测，与地基望远镜形成有机互补，更加机动灵活的对突发重大天文事件展开观测。此时要求小卫星长期对日定向，执行任务时机动至有效惯性天区，并对惯性天区跟踪成像。
小卫星由对日定向机动至对惯性天区定向时，先计算参考姿态，然后计算姿态偏差四元数，机动过程以最优角度旋转，不存在机动路径规划。随着小卫星低成本、包络小的要求，太阳电池阵不会留有较大的余量，所以要求小卫星在机动过程中能源损失最小，但传统卫星机动过程中能源损失较大，难以满足该要求。
因此，如果尽可能的降低卫星机动过程中的能源损失，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种卫星机动路径的规划方法与系统。
本发明提供了一种卫星机动路径的规划方法，当卫星由对日定向转为对惯性天区定向时，首先绕太阳电池阵轴向旋转，然后再绕非太阳电池阵轴向的其他轴向旋转，以保证太阳电池阵轴向旋转角度最小，进而保证能源损失最小。
作为本发明的进一步改进，卫星长期对日定向，根据遥控指令执行对惯性天区定向，执行任务后，根据指令转回对日定向，等待下一次任务。
作为本发明的进一步改进，当卫星由对惯性天区定向转回对日定向时，首先绕太阳电池阵轴向旋转，再绕非太阳电池阵轴向的其他轴向旋转，以保证太阳电池阵方向能源损失最小，进而保证能源损失最小。
作为本发明的进一步改进，在卫星的机动过程中，以最优旋转角度旋转，采用偏差四元数计算方法计算该最优旋转角度。
作为本发明的进一步改进，所述偏差四元数计算方法计算最优旋转角度的过程如下：
1)首先确定惯性天区在惯性系的位置矢量T＝[Txi Tyi Tzi]，根据Txi和Tzi确定目标矢量在惯性坐标系XiOZi平面内的位置；
2)绕Yi轴旋转角度θ，保证-Zi轴与T在XiOZi平面内的投影重合，其中Txi≥0，则
Figure BDA0002557533940000021
否则
Figure BDA0002557533940000022
3)再绕Xi轴旋转角度
Figure BDA0002557533940000031
保证-Zi轴与目标天区矢量重合；
4)计算参考四元数
Figure BDA0002557533940000032
其中C2Q()为方向余弦矩阵转四元数的函数，Cx()为绕X轴旋转角速的方向余弦矩阵，Cy()为绕Y轴旋转角速的方向余弦矩阵，
Figure BDA0002557533940000033
根据欧拉21方向进行旋转；
5)计算偏差四元数，根据卫星本体相对惯性系的四元数Qbi，计算偏差四元数Qe＝QtiQbi。
本发明还提供了一种卫星机动路径的规划系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如上述中任一项所述的方法。
本发明的有益效果是：根据小卫星在机动过程中能源损失最小原则，规划机动路径，首先绕太阳电池阵轴向旋转，然后再绕其他轴向旋转，保证太阳电池阵轴向旋转角度最小，进而保证能源损失最小。
附图说明
图1是小卫星对日定向示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种卫星机动路径的规划方法，卫星长期对日定向，根据遥控指令执行对惯性天区定向，执行任务后，根据指令转回对日定向，等待下一次任务；当卫星由对日定向转为对惯性天区定向时，根据小卫星在机动过程中能源损失最小原则，规划机动路径，首先绕太阳电池阵轴向旋转，然后再绕其他轴向旋转，保证太阳电池阵轴向旋转角度最小，进而保证能源损失最小；由对惯性空间指向转回对日定向，同样采用先绕太阳电池阵轴向旋转，再绕其他轴向旋转，保证太阳电池阵方向能源损失最小。
如图1所示，假定成像相机安装在卫星本体1的-Zb方向，太阳帆板2安装在卫星的-Yb面，小卫星运行在降交点地方时11:00AM的正午轨道上，太阳角为15°～25°之间。卫星长期对日定向，根据遥控指令执行对惯性天区定向，执行任务后，根据指令转回对日定向，等待下一次任务。
偏差四元数计算方法如下：
1.首先确定惯性天区在惯性系的位置矢量T＝[Txi Tyi Tzi]，根据Txi和Tzi确定目标矢量在惯性坐标系XiOZi平面内的位置；
2.绕Yi轴旋转角度θ，保证-Zi轴与T在XiOZi平面内的投影重合，其中Txi≥0，则
Figure BDA0002557533940000041
否则
Figure BDA0002557533940000042
3.再绕Xi轴旋转角度
Figure BDA0002557533940000043
保证-Zi轴与目标天区矢量重合；
4.计算参考四元数
Figure BDA0002557533940000044
其中C2Q()为方向余弦矩阵转四元数的函数，Cx()为绕X轴旋转角速的方向余弦矩阵，Cy()为绕Y轴旋转角速的方向余弦矩阵，
Figure BDA0002557533940000045
根据欧拉21方向进行旋转；
5.计算偏差四元数，根据卫星本体相对惯性系的四元数Qbi，计算偏差四元数Qe＝QtiQbi。
根据以上方法计算的偏差四元数能够进一步保证太阳电池阵能源损失最小。
本发明提供的一种卫星机动路径的规划方法与系统，小卫星由对日定向转为对惯性定向时，通过合理规划机动路径保证能源损失率最小，可以减少电池阵的尺寸，进而减少整星的包络，满足小卫星商业化的发展路线。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种卫星机动路径的规划方法，其特征在于：当卫星由对日定向转为对惯性天区定向时，首先绕太阳电池阵轴向旋转，然后再绕非太阳电池阵轴向的其他轴向旋转，使太阳电池阵轴向旋转角度最小。
2.根据权利要求1所述的卫星机动路径的规划方法，其特征在于：卫星长期对日定向，根据遥控指令执行对惯性天区定向，执行任务后，根据指令转回对日定向，等待下一次任务。
3.根据权利要求2所述的卫星机动路径的规划方法，其特征在于：当卫星由对惯性天区定向转回对日定向时，首先绕太阳电池阵轴向旋转，再绕非太阳电池阵轴向的其他轴向旋转。
4.根据权利要求1所述的卫星机动路径的规划方法，其特征在于：在卫星的机动过程中，以最优旋转角度旋转，采用偏差四元数计算方法计算该最优旋转角度。
5.根据权利要求4所述的卫星机动路径的规划方法，其特征在于：所述偏差四元数计算方法计算最优旋转角度的过程如下：
1)首先确定惯性天区在惯性系的位置矢量T＝[Txi Tyi Tzi]，根据Txi和Tzi确定目标矢量在惯性坐标系XiOZi平面内的位置；
2)绕Yi轴旋转角度θ，保证-Zi轴与T在XiOZi平面内的投影重合，其中Txi≥0，则
Figure FDA0002557533930000011
否则
Figure FDA0002557533930000012
3)再绕Xi轴旋转角度
Figure FDA0002557533930000013
保证-Zi轴与目标天区矢量重合；
4)计算参考四元数
Figure FDA0002557533930000021
其中C2Q()为方向余弦矩阵转四元数的函数，Cx()为绕X轴旋转角速的方向余弦矩阵，Cy()为绕Y轴旋转角速的方向余弦矩阵，
Figure FDA0002557533930000022
根据欧拉21方向进行旋转；
5)计算偏差四元数，根据卫星本体相对惯性系的四元数Qbi，计算偏差四元数Qe＝QtiQbi。
6.一种卫星机动路径的规划系统，其特征在于：包括可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。
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