CN113177257B - 地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，包括太阳光强度系数得出步骤，得到卫星所在位置的太阳光照强度系数；太阳光强度模型建立步骤，建立太阳光强度模型；两轴电流输出模型建立步骤，建立两轴太阳敏感器有效测角范围内的电流输出模型；滚动电流输出模型建立步骤，建立滚动方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型；俯仰电流输出模型建立步骤，建立俯仰方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型。本发明方法面向工程实际，综合考虑了星‑日距离以及地球、月球遮挡对太阳光照强度的影响，建立了精确的两轴太阳敏感器电流输出模型。

Description

地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法

技术领域

本发明涉及空间飞行器总体技术和试验与测试技术领域，具体地，涉及一种地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法。

背景技术

太阳敏感器是以太阳为基准方位，用以测量太阳光线同星体内某一预定的体轴或坐标面之间的夹角。由于太阳是一个非常明亮的点光源，易于敏感与识别，给敏感器的设计和姿态确定算法的制定带来极大方便，因此太阳敏感器成为各种航天器首选的姿态敏感部件。太阳敏感器不但可用于星体姿态的测量，而且可直接用于太阳电池阵的定位与星敏感器的保护等。根据工程中的技术要求，太阳敏感器的视场可设计为几分的小视场到128°×128°的大视场，分辨率可达到秒的量级。

太阳敏感器有三种基本类型：太阳出现敏感器(0-1式太阳敏感器)，输出信号是恒定的，用以表示太阳是否出现在视场内；模拟式太阳敏感器，输出信号是太阳角的连续函数；数字式太阳敏感器，输出信号是太阳角的编码形式的离散函数。卫星姿态太阳捕获、定向与太阳阵对日跟踪直接关系到卫星能源安全，需在地面充分测试和验证。

申请号为2015106168439的专利公开了一种双轴微型模拟式太阳敏感器，由光电组件和主体结构组成。光电组件包括掩膜玻璃、掩膜玻璃安装板、硅光电池、陶瓷基座、基座安装板、支撑螺钉和锥形螺母。主体结构包括外壳、密封垫、后盖和电连接器。太阳光线透过掩膜玻璃通光孔入射到硅光电池受光面上，硅光电池各检测光敏区域输出不同的光生电流，进而解算出太阳矢量两轴方位角；当太阳矢量方位角超出太阳敏感器视场时，与超视场方向对应的监测光敏区域因受到光照而输出光生电流，从而给出超视场边界指示。该敏感器可在双轴大视场范围内实现太阳矢量角的高精度测量，并具有模块化、轻量化的设计特点，可充分满足未来卫星平台微小型化、智能化的发展趋势，具有广泛的应用前景。上述发明详细描述了该敏感器的组成结构与工作原理，但未涉及地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的方法。

申请号为2017103386430的专利公开了一种两轴纳型精太阳敏感器，所述太阳敏感器包括限束板、底座、电路板和微型接插件；其中，所述限束板中心设置台阶式孔，供太阳光穿过；所述限束板固定在底座上；所述电路板和微型接插件固定在限束板与底座之间。本发明的两轴纳型精太阳敏感器具有结构简单、重量轻、体积小、功耗低的特点，同时具有易于安装和校准装调；可靠性高，抗航天应力能力强，测量精度高的优点。上述发明详细描述了该敏感器的组成结构与工作原理，但未涉及地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的方法。

发明内容

针对现有技术中的缺少地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的方法的缺陷，本发明的目的是提供一种地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法。

根据本发明提供的一种地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，包括如下步骤：

太阳光强度系数得出步骤：根据卫星轨道参数计算卫星、太阳的相对关系，得到卫星所在位置的太阳光照强度系数；

太阳光强度模型建立步骤：根据卫星轨道参数计算卫星、地球、月球、太阳之间的相对关系，判断卫星是否位于地影区或者月影区，若卫星位于地影区，则对太阳光强度系数进行修正，并建立地影区太阳光照强度模型；若卫星位于月影区，则对太阳光强度系数进行修正，并建立月影区太阳光照强度模型；若卫星不位于地影区和月影区，则不对太阳光照强度系数进行修正，建立无修正太阳光强度模型；

两轴电流输出模型建立步骤：根据两轴太阳敏感器单机特性建立两轴太阳敏感器有效测角范围内的电流输出模型；

滚动电流输出模型建立步骤：根据两轴太阳敏感器单机特性建立滚动方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型；

俯仰电流输出模型建立步骤：根据两轴太阳敏感器单机特性建立俯仰方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型。

优选地，确定卫星所在位置的太阳光照强度时，考虑的因素包括日-地距离年变化造成的星-日之间相对距离的变化，对星-日之间相对距离的变化导致的卫星光照强度周期性变化进行建模。

优选地，确定地影区太阳光照强度模型时，在两轴太阳敏感器电流输出模型中考虑的因素包括地影区地球遮挡对太阳光照强度的影响，并对地影区太阳光照强度模型建模。

优选地，确定月影区太阳光照强度模型时，在两轴太阳敏感器电流输出模型中考虑的因素包括月影区月球遮挡对太阳光照强度的影响，并对月影区太阳光照强度模型进行建模。

优选地，确定两轴太阳敏感器电流输出模型时，在敏感器有效测角范围内建模的基础上，依据敏感器单机特性，建立有效测角范围外的电流输出模型。

优选地，所述太阳光强度系数得出步骤包括：分别计算J2000.0平赤道平春分点惯性系下的卫星位置矢量

太阳位置矢量/>

进而得到星-日相对位置矢量/>

再利用该矢量的模与日-地平均距离r_se相比较，得到当前时刻卫星当前位置的光照强度系数K_s。

优选地，所述太阳光强度模型建立步骤包括：依据太阳平均半径R_sun、地球平均半径R_eth及太阳光强度系数得出步骤计算得到的太阳位置矢量

卫星位置矢量/>

计算当前卫星位置处的太阳半张角A_sun、地球半张角A_eth、日-星-地夹角A_sse，根据A_sun、A_eth、A_sse之间的相对关系判断当前卫星是否处于地影区，当卫星位于地影期时计算当前时刻太阳受地球圆盘遮挡面积S_eth，并修正当前光照强度系数；

计算J2000.0平赤道平春分点惯性系下的月球位置矢量

结合太阳平均半径R_sun、月球平均半径R_mon及步骤1计算得到的太阳位置矢量/>

卫星位置矢量/>

计算当前卫星位置处的太阳半张角A_sun、月球半张角A_mon、日-星-月夹角A_ssm，根据A_sun、A_mon、A_ssm之间的相对关系判断当前卫星是否处于月影区，当卫星位于月影期时计算当前时刻太阳受月球圆盘遮挡面积S_mon，并修正当前光照强度系数K_s。/>

优选地，所述两轴电流输出模型建立步骤包括：当滚动方向太阳入射角

俯仰方向太阳入射角θ_sun均位于/>

与(-θ_as0,θ_as0)的有效测角区间时，根据单机有效测角区内光照成像几何特性，将入射角/>

θ_sun转换为两轴太阳敏感器的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d。

优选地，所述滚动电流输出模型建立步骤，包括：当滚动方向太阳入射角

超出有效测角区间/>

时，根据单机有效测角区外的光照成像几何特性，将入射角/>

θ_sun转换为两轴太阳敏感器的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d；

优选地，所述俯仰电流输出模型建立步骤包括：当俯仰方向太阳入射角θ_sun超出有效测角区间(-θ_as0,θ_as0)时，根据单机有效测角区外的光照成像几何特性，将入射角

θ_sun转换为两轴太阳敏感器的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明考虑了星-日距离、地影、月影等对太阳光照强度的影响，并针对不同光照入射角对两轴太阳敏感器分类建模，可以在地面精确模拟两轴太阳敏感器在轨电流信号输出情况，可应用于卫星控制系统的全数学、半物理及全物理仿真验证和方案论证；

2、本发明方法所述的两轴太阳敏感器属于模拟式太阳敏感器，其视场在几十度时精度可达±1°，视场很小仅为1°～2°时，精度可达到角分级；

3、本发明方法面向工程实际，综合考虑了星-日距离以及地球、月球遮挡对太阳光照强度的影响，建立了精确的两轴太阳敏感器电流输出模型。本发明可应用于卫星控制系统或太阳阵跟踪系统研制研发过程。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为太阳受地球遮挡阴影示意图；

图2为太阳受月球遮挡阴影示意图；

图3为两轴太阳敏感器外形图；

图4为两轴太阳敏感器滚动、俯仰方向测角示意图；

图5为两轴太阳敏感器测角门限示意图；

图6为发明实施步骤示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1-6，具体地，根据本发明提供的一种地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据卫星轨道参数计算卫星、太阳的相对关系，得到卫星所在位置的太阳光照强度。

步骤S2：根据卫星轨道参数计算卫星、地球、太阳之间的相对关系，判断卫星是否位于地影区，若卫星位于地影区，则对太阳光强度系数进行修改，并建立地影区太阳光照强度模型；根据卫星轨道参数计算卫星、月球、太阳之间的相对关系，判断卫星是否位于月影区，若卫星位于月影区，则对太阳光系数进行修正，并建立月影区太阳光照强度模型；若卫星不位于地影区和月影区，则不对太阳光照强度系数进行修正，建立无修正太阳光强度模型。

步骤S3：根据两轴太阳敏感器单机特性建立两轴太阳敏感器有效测角范围内的电流输出模型。

步骤S4：根据两轴太阳敏感器单机特性建立滚动方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型。

步骤S5：根据两轴太阳敏感器单机特性建立俯仰方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型。

所述步骤S1包括：

分别计算J2000.0平赤道平春分点惯性系下的卫星位置矢量

太阳位置矢量

该计算方法为通用计算方法，本发明中不再赘述，可以得到星-日相对位置矢量/>

将该矢量的模与日-地平均距离r_se相比较，可以得到当前时刻卫星当前位置的光照强度系数/>

式中，K_s0为太阳光照常数。

所述步骤S2包括：

依据太阳平均半径R_sun及步骤1计算得到的星-日相对位置矢量

计算当前卫星位置处的太阳半张角/>

依据地球平均半径R_eth及卫星位置矢量/>

计算当前卫星位置处的地球半张角/>

依据星-日相对位置矢量/>

卫星位置矢量/>

计算日-星-地夹角/>

根据A_sun、A_eth、A_sse之间的相对关系判断当前卫星是否处于地影区，当日-星-地夹角A_sse≤A_sun+A_eth时卫星处于地影期，计算当前时刻太阳受地球圆盘遮挡面积S_eth，并修正当前光照强度系数。

/>

式中，α₁为地影区对应的太阳半圆心角，β₁为地影区对应的地球半圆心角。

所述步骤S2包括：

计算J2000.0平赤道平春分点惯性系下的月球位置矢量

该计算方法为通用计算方法，本发明中不再赘述，可以得到星-月相对位置矢量/>

依据月球平均半径R_mon及星-月相对位置矢量/>

计算当前卫星位置处的月球半张角/>

依据星-日相对位置矢量/>

星-月相对位置矢量/>

计算日-星-月夹角/>

根据A_sun、A_mon、A_ssm之间的相对关系判断当前卫星是否处于月影区，当日-星-月夹角A_ssm≤A_sun+A_mon时卫星处于月影期，计算当前时刻太阳受月球圆盘遮挡面积S_mon，并修正当前光照强度系数。

式中，α₂为地影区对应的太阳半圆心角，β₂为地影区对应的地球半圆心角。

所述步骤S3包括：

两轴太阳敏感器由4片太阳电池片及光栏组成，如图3和图4所示，太阳光通过光栏后照射在4片太阳电池片上，太阳电池片的照射感光面积随太阳入射角度变化而改变，从而4片太阳电池片的输出电流相应发生改变，根据其物理关系将电流值转化为太阳滚动测量角

和俯仰测量角θ_as，如下式：/>

两轴太阳敏感器的几个主要测量角度门限如图5所示，可表示为：

当滚动方向太阳入射角

俯仰方向太阳入射角θ_sun均位于/>

与(-θ_as0,θ_as0)的有效测角区间时，根据单机有效测角区内光照成像几何特性，将入射角/>

θ_sun转换为两轴太阳敏感器的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d。

K₁＝I₀K_s cosψ

所述步骤S4包括：

当滚动方向太阳入射角

超出有效测角区间/>

时，根据单机有效测角区外的光照成像几何特性，对步骤S4计算得到的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d进行修正。

当

时，有：

I_a＝0、I_b＝0、I_c＝0、I_d＝0；

当

时，有：

I_a＝0、I_b＝0、

当

时，有：

I_a＝I_a、I_b＝I_b、

当

时，有：

I_c＝0、I_d＝0；/>

当

时，有：

I_c＝I_c、I_d＝I_d。

所述步骤S5包括：

当俯仰方向太阳入射角θ_sun超出有效测角区间(-θ_as0,θ_as0)时，根据单机有效测角区外的光照成像几何特性，对步骤S4、S5计算得到的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d进行修正。

当|θ_sun|≥θ_as2时，有：

I_a＝0、I_b＝0、I_c＝0、I_d＝0；

当θ_sun≥θ_as1∩θ_sun＜θ_as2时，有：

I_b＝0、I_c＝0、/>

当θ_sun≥θ_as0∩θ_sun＜θ_as1时，有：

I_b＝I_b、I_c＝I_c、/>

当θ_sun≤-θ_as1∩θ_sun＞-θ_as2时，有：

I_a＝I_a、

I_d＝I_d；

当θ_sun≤-θ_as0∩θ_sun＞-θ_as1时，有：

I_a＝I_a、

I_d＝I_d。

本发明考虑了星-日距离、地影、月影等对太阳光照强度的影响，并针对不同光照入射角对两轴太阳敏感器分类建模，可以在地面精确模拟两轴太阳敏感器在轨电流信号输出情况，可应用于卫星控制系统的全数学、半物理及全物理仿真验证和方案论证。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

太阳光强度系数得出步骤：根据卫星轨道参数计算卫星、太阳的相对关系，得到卫星所在位置的太阳光照强度系数；

太阳光强度模型建立步骤：根据卫星轨道参数计算卫星、地球、月球、太阳之间的相对关系，判断卫星是否位于地影区或者月影区，若卫星位于地影区，则对太阳光强度系数进行修正，并建立地影区太阳光照强度模型；若卫星位于月影区，则对太阳光强度系数进行修正，并建立月影区太阳光照强度模型；若卫星不位于地影区和月影区，则不对太阳光照强度系数进行修正，建立无修正太阳光强度模型；

两轴电流输出模型建立步骤：根据两轴太阳敏感器单机特性建立两轴太阳敏感器有效测角范围内的电流输出模型；

滚动电流输出模型建立步骤：根据两轴太阳敏感器单机特性建立滚动方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型；

俯仰电流输出模型建立步骤：根据两轴太阳敏感器单机特性建立俯仰方向太阳入射角超出有效测角范围时的电流输出模型；

所述太阳光强度模型建立步骤包括：依据太阳平均半径R_sun、地球平均半径R_eth及太阳光强度系数得出步骤计算得到的太阳位置矢量

卫星位置矢量/>

计算当前卫星位置处的太阳半张角A_sun、地球半张角A_eth、日-星-地夹角A_sse，根据A_sun、A_eth、A_sse之间的相对关系判断当前卫星是否处于地影区，当卫星位于地影区时计算当前时刻太阳受地球圆盘遮挡面积S_eth，并修正当前光照强度系数；

计算J2000.0平赤道平春分点惯性系下的月球位置矢量

结合太阳平均半径R_sun、月球平均半径R_mon及计算得到的太阳位置矢量/>

卫星位置矢量/>

计算当前卫星位置处的太阳半张角A'_sun、月球半张角A_mon、日-星-月夹角A_ssm，根据A'_sun、A_mon、A_ssm之间的相对关系判断当前卫星是否处于月影区，当卫星位于月影区时计算当前时刻太阳受月球圆盘遮挡面积S_mon，并修正当前光照强度系数K_s；

所述两轴电流输出模型建立步骤包括：当滚动方向太阳入射角

俯仰方向太阳入射角θ_sun均位于/>

与(-θ_as0,θ_as0)的有效测角区间时，根据单机有效测角区内光照成像几何特性，将入射角/>

θ_sun转换为两轴太阳敏感器的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d；

所述滚动电流输出模型建立步骤，包括：当滚动方向太阳入射角

超出有效测角区间

时，根据单机有效测角区外的光照成像几何特性，将入射角/>

θ_sun转换为两轴太阳敏感器的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d；

所述俯仰电流输出模型建立步骤包括：当俯仰方向太阳入射角θ_sun超出有效测角区间(-θ_as0,θ_as0)时，根据单机有效测角区外的光照成像几何特性，将入射角

θ_sun转换为两轴太阳敏感器的四路输出电流I_a、I_b、I_c、I_d。

2.根据权利要求1所述的地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，其特征在于，确定卫星所在位置的太阳光照强度时，考虑的因素包括日-地距离年变化造成的星-日之间相对距离的变化，对星-日之间相对距离的变化导致的卫星光照强度周期性变化进行建模。

3.根据权利要求1所述的地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，其特征在于，确定地影区太阳光照强度模型时，在两轴太阳敏感器电流输出模型中考虑的因素包括地影区地球遮挡对太阳光照强度的影响，并对地影区太阳光照强度模型建模。

4.根据权利要求1所述的地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，其特征在于，确定月影区太阳光照强度模型时，在两轴太阳敏感器电流输出模型中考虑的因素包括月影区月球遮挡对太阳光照强度的影响，并对月影区太阳光照强度模型进行建模。

5.根据权利要求1所述的地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，其特征在于，确定两轴太阳敏感器电流输出模型时，在敏感器有效测角范围内建模的基础上，依据敏感器单机特性，建立有效测角范围外的电流输出模型。

6.根据权利要求1所述的地面模拟两轴太阳敏感器电流输出的建模方法，其特征在于，所述太阳光强度系数得出步骤包括：分别计算J2000.0平赤道平春分点惯性系下的卫星位置矢量

太阳位置矢量/>

进而得到星-日相对位置矢量/>

再利用该矢量的模与日-地平均距离r_se相比较，得到当前时刻卫星当前位置的光照强度系数K_s。/>

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