CN114577201B - 一种航天器多星敏感器布局的优化方法 - Google Patents

一种航天器多星敏感器布局的优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114577201B
CN114577201B CN202210035422.7A CN202210035422A CN114577201B CN 114577201 B CN114577201 B CN 114577201B CN 202210035422 A CN202210035422 A CN 202210035422A CN 114577201 B CN114577201 B CN 114577201B
Authority
CN
China
Prior art keywords
star sensor
satellite
star
layout
optical axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210035422.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114577201A (zh
Inventor
本立言
谢祥华
严玲玲
邱琳
刘剑
祁海铭
赵璟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Original Assignee
Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Innovation Academy for Microsatellites of CAS filed Critical Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Priority to CN202210035422.7A priority Critical patent/CN114577201B/zh
Publication of CN114577201A publication Critical patent/CN114577201A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114577201B publication Critical patent/CN114577201B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/25—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system involving aiding data received from a cooperating element, e.g. assisted GPS
    • G01S19/258—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system involving aiding data received from a cooperating element, e.g. assisted GPS relating to the satellite constellation, e.g. almanac, ephemeris data, lists of satellites in view
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明公开了一种航天器多星敏感器布局的优化方法，构建以双星敏感器可用率最大，星敏感器间夹角接近正交的多目标优化模型，并利用多目标遗传算法进行求解，获取每个星敏感器的最优指向，确定多星敏感器最优布局。本发明降低了对设计者经验的依赖，避免了传统方法需要手动迭代的缺点，提高了星敏感器布局的设计效率。

Description

一种航天器多星敏感器布局的优化方法
技术领域
本发明属于航天器总体设计领域，涉及一种航天器多星敏感器布局优化方法。
背景技术
在常用的姿态敏感器中，星敏感器测量精度可达角秒级，因此成为卫星重要的姿态测量器件。星敏感器通过敏感恒星光来确定卫星的姿态，由于恒星光是弱光，容易受到外界杂散光的影响，卫星在轨运行时若太阳光或地气光等杂散光进入星敏感器视场时，星敏感器测量精度下降甚至失效。另外，利用多个星敏感器测量信息进行联合定姿时，各星敏感器的光轴指向夹角越接近正交，姿态确定精度越高。因此，为保证星敏感器在轨可用率，提高卫星姿态确定精度，有必要对星敏感器在整星上的布局进行详细设计。
现有星敏感器布局设计思路为：设计者根据卫星光照情况和姿态指向，依据自身经验设计星敏感器光轴指向，在此基础上利用STK(Satellite Tool Kit)等软件分析星敏感器光轴与太阳矢量及地心矢量间的夹角变化情况，评估太阳光及地气光对星敏感器的影响，若不满足太阳光及地气光抑制角的要求，设计师需要根据经验调整星敏感器光轴指向，重新进行仿真分析，直至满足要求为止。
上述方法比较依赖于设计者经验，需要根据仿真结果对指向设计进行多次迭代，降低了设计效率，而且只能对依据经验选择的有限方案进行仿真分析，难以获取最优设计结果，特别在未来新型卫星的星敏感器布局面临缺乏先验经验的情况。因此，有必要采用一定优化算法，搜索可行设计空间，获取最优设计结果。文章[基于几何位置分析的星敏感器布局研究[J].传感器与微系统,2013,32(12):34-37.]提出一种基于粒子群寻优算法的星敏感器安装布局方法，通过设计合理的粒子群和适应度函数可自动完成最佳星敏感器布局设计，但只适用于单星敏感器布局设计。专利CN 108681617 A首先建立了太阳光、地气光、卫星上其他部件对星敏感器布局的约束，然后以星敏感器光轴间的夹角为优化目标，将多星敏感器布局设计描述为一个标准优化问题，并采用相应的优化算法进行求解，但当卫星轨道的太阳角变化范围较大时，势必出现太阳光进入某个星敏感器视场的情况，因此将所有星敏感器规避太阳光作为约束条件，导致该优化模型不存在可行解，则有必要对该优化模型进行改善。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种航天器的多星敏感器布局的优化方法，建立多星敏感器布局设计的优化模型，并应用多目标遗传算法进行求解，获取多星敏感器最优布局方案。本发明降低了对设计者经验的依赖，避免了传统方法需要手动迭代的缺点，提高了星敏感器布局的设计效率。
本发明的技术解决方案：一种多星敏感器布局的优化方法，具体步骤为：
一种航天器多星敏感器布局的优化方法，具体步骤如下：
步骤一、确定卫星的初始轨道、寿命及任务姿态；明确星敏感器的遮光罩半锥角；
步骤二、定义星敏感器光轴矢量，建立星敏感器可用时太阳光及地气光约束表达式；
步骤三、建立星敏感器可用率的求解模型：首先根据卫星初始轨道参数，利用轨道外推模型获取卫星寿命期间轨道参数；然后利用天文年历获取卫星寿命期间太阳位置矢量，根据星敏感器可用时太阳光及地气光约束条件，统计卫星寿命期间单星敏及双星敏可用率；
步骤四、结合卫星寿命期间单星敏及双星敏可用率的求解模型，构造星敏感器布局的多目标优化模型，并应用多目标遗传算法进行求解，获取每个星敏感器最优指向，实现多星敏感器的最优布局；
其中：星敏感器布局的多目标优化模型的设计变量为：选取星敏感器光轴在卫星本体坐标系内的方位角和高低角作为设计变量；
考虑星敏感器布局的性能指标，不仅是单一的双星敏可用率，还应该考虑提高姿态测量精度，希望星敏感器光轴方向尽量正交。为兼顾双星敏感器可用率及姿态测量精度，星敏感器布局的多目标优化模型的优化性能指标有：双星敏感器可用率最大，星敏感器间夹角的余弦值最小；
星敏感器布局的多目标优化模型的约束为：为保证姿态测量精度，卫星在轨运行期间至少需要一台星敏感器可用，即单星敏感器可用率为100％。
进一步的，步骤二中，定义星敏感器光轴矢量，建立星敏感器可用时太阳光及地气光约束表达式具体如下：
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与太阳光位置矢量/>应满足约束/>其中：θz为遮光罩半锥角；
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与地心矢量/>应满足约束/>其中：θe为地球遮挡卫星的范围的半锥角，表达式为/>re为地球半径，r为卫星的地心距。
进一步的，定义方位角α为星敏感器光轴在卫星本体坐标系xoy平面内的投影与y轴的夹角，高低角β为星敏感器光轴与卫星本体坐标系xoy平面的夹角，与星敏感器光轴矢量关系为
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明将太阳光及地气光的约束转换为对星敏感器可用率的约束，解除了太阳光及地气光对星敏感器安装的强约束，避免由于约束复杂导致不存在可行解的情况，因此适用于各类轨道工况。
本发明在优化目标选取时引入了星敏感器间的夹角，在星敏感器布局时考虑影响姿态测量精度的因素，使优化模型更加合理和完善。
本发明降低了对设计者经验的依赖，避免了传统方法需要手动迭代的缺点，提高了星敏感器布局的设计效率。
附图说明
图1为本发明星敏感器光轴矢量在卫星本体坐标系下的表示；
图2为本发明优化设计后三星敏感器布局；
图3为本发明流程图。
具体实施方式
下面以三个星敏感器为例，结合附图对本发明做进一步描述，整个过程如图3所示。
步骤1、确定卫星寿命为5年，初始轨道参数见表1，任务姿态为对地定向姿态。
表1
步骤2、明确星敏感器的遮光罩半锥角θz＝20°。
步骤3、建立星敏感器可用时太阳光以及地气光约束表达式。
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与太阳光位置矢量/>应满足约束/>其中θz为遮光罩半锥角。
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与地心矢量/>应满足约束/>其中θe为地球遮挡卫星范围的半锥角，表达式为/>re为地球半径，r为卫星的地心距。
步骤4、建立星敏感器可用率的求解模型。
首先根据卫星初始轨道参数，利用轨道外推模型获取卫星寿命期间轨道参数。
利用天文年历获取卫星寿命期间太阳位置矢量。
根据星敏感器可用时太阳光以及地气光约束条件，建立统计卫星寿命期间单星敏感器及双星感器敏可用率的求解模型。
步骤5、构建多星敏感器布局的优化模型。
星敏感器光轴在卫星本体坐标系下的表示如图1所示。定义方位角α为星敏光轴在卫星本体坐标系xoy平面内的投影与y轴的夹角，高低角β为星敏光轴与卫星本体坐标系xoy平面的夹角。
星敏感器光轴矢量描述为。
令和/>分别为三个星敏感器光轴矢量，为提高星敏感器联合定姿的精度，希望星敏感器之间的夹角接近90°。
定义三个星敏感器间的夹角分别为θ1、θ2及θ3，定义卫星寿命期间单星敏可用率为ηs，双星敏可用率为ηd。
构建星敏感器布局的多目标优化指标为
考虑相应约束，则三星敏感器布局优化问题可以描述为。
优化目标为：
相应约束为：
ηs＝1；
-180°≤α1,α2,α3≤180°；
-90°≤β1,β2,β3≤90°。
采用多目标遗传算法进行求解，获取每个星敏感器最优指向如图2所示，具体优化结果见表2。
表2
本实施例中将太阳光及地气光的约束转换为对星敏感器可用率的约束，解除了太阳光及地气光对星敏感器安装的强约束，避免由于约束复杂导致不存在可行解的情况，因此适用于各类轨道工况。在优化目标选取时引入了星敏感器间的夹角，在星敏感器布局时考虑影响姿态测量精度的因素，使优化模型更加合理和完善。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种航天器多星敏感器布局的优化方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、确定卫星的初始轨道、寿命及任务姿态；明确星敏感器的遮光罩半锥角；
步骤二、定义星敏感器光轴矢量，建立星敏感器可用时太阳光及地气光约束表达式；
步骤三、建立星敏感器可用率的求解模型：首先根据卫星初始轨道参数，利用轨道外推模型获取卫星寿命期间轨道参数；然后利用天文年历获取卫星寿命期间太阳位置矢量，根据星敏感器可用时太阳光及地气光约束条件，统计卫星寿命期间单星敏及双星敏可用率；
步骤四、结合卫星寿命期间单星敏及双星敏可用率的求解模型，构造星敏感器布局的多目标优化模型，并应用多目标遗传算法进行求解，获取每个星敏感器最优指向，实现多星敏感器的最优布局；
其中：星敏感器布局的多目标优化模型的设计变量为：选取星敏感器光轴在卫星本体坐标系内的方位角和高低角作为设计变量；
星敏感器布局的多目标优化模型的优化性能指标有：双星敏感器可用率最大，星敏感器间夹角的余弦值最小；
星敏感器布局的多目标优化模型的约束为：卫星在轨运行期间至少需要一台星敏感器可用，即单星敏感器可用率为100％。
2.根据权利要求1所述的一种航天器多星敏感器布局的优化方法，其特征在于：步骤二中，定义星敏感器光轴矢量，建立星敏感器可用时太阳光及地气光约束表达式具体如下：
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与太阳光位置矢量/>应满足约束/>其中：θz为遮光罩半锥角；
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与地心矢量/>应满足约束/>其中：θe为地球遮挡卫星的范围的半锥角，表达式为/>re为地球半径，r为卫星的地心距。
3.根据权利要求1所述的一种航天器多星敏感器布局的优化方法，其特征在于：定义方位角α为星敏感器光轴在卫星本体坐标系xoy平面内的投影与y轴的夹角，高低角β为星敏感器光轴与卫星本体坐标系xoy平面的夹角，与星敏感器光轴矢量关系为
CN202210035422.7A 2022-01-13 2022-01-13 一种航天器多星敏感器布局的优化方法 Active CN114577201B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210035422.7A CN114577201B (zh) 2022-01-13 2022-01-13 一种航天器多星敏感器布局的优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210035422.7A CN114577201B (zh) 2022-01-13 2022-01-13 一种航天器多星敏感器布局的优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114577201A CN114577201A (zh) 2022-06-03
CN114577201B true CN114577201B (zh) 2023-09-12

Family

ID=81772191

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210035422.7A Active CN114577201B (zh) 2022-01-13 2022-01-13 一种航天器多星敏感器布局的优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114577201B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5473746A (en) * 1993-04-01 1995-12-05 Loral Federal Systems, Company Interactive graphics computer system for planning star-sensor-based satellite attitude maneuvers
CN104296751A (zh) * 2014-10-23 2015-01-21 航天东方红卫星有限公司 一种多星敏感器构型布局设计方法
CN105775170A (zh) * 2016-04-21 2016-07-20 清华大学 太阳同步轨道卫星双视场星敏感器安装指向设计方法
CN108681617A (zh) * 2018-03-29 2018-10-19 北京空间飞行器总体设计部 一种航天器多星敏感器布局优化设计方法
CN109159922A (zh) * 2018-09-29 2019-01-08 上海微小卫星工程中心 一种低倾角卫星星敏感器使用方法
CN110104210A (zh) * 2019-03-29 2019-08-09 上海卫星工程研究所 低轨对日观测卫星的多星敏布局方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5473746A (en) * 1993-04-01 1995-12-05 Loral Federal Systems, Company Interactive graphics computer system for planning star-sensor-based satellite attitude maneuvers
CN104296751A (zh) * 2014-10-23 2015-01-21 航天东方红卫星有限公司 一种多星敏感器构型布局设计方法
CN105775170A (zh) * 2016-04-21 2016-07-20 清华大学 太阳同步轨道卫星双视场星敏感器安装指向设计方法
CN108681617A (zh) * 2018-03-29 2018-10-19 北京空间飞行器总体设计部 一种航天器多星敏感器布局优化设计方法
CN109159922A (zh) * 2018-09-29 2019-01-08 上海微小卫星工程中心 一种低倾角卫星星敏感器使用方法
CN110104210A (zh) * 2019-03-29 2019-08-09 上海卫星工程研究所 低轨对日观测卫星的多星敏布局方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
资源三号02星激光测高数据质量分析;李国元;高小明;陈继溢;赵严铭;莫凡;张悦;;遥感学报(第06期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114577201A (zh) 2022-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108681617B (zh) 一种航天器多星敏感器布局优化设计方法
CN108491668A (zh) 一种基于动态多模型融合的飞行器系统优化方法
WO2021063073A1 (zh) 一种指定发射仰角的自由弹道构造方法
CN111687631B (zh) 一种基于室内gps和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法
CN110309627B (zh) 小天体表面弹跳移动的可达区获取方法
CN113467241B (zh) 凸曲率着陆轨迹燃耗优化方法
CN114440711B (zh) 一种基于粒子群算法的四级固体运载火箭弹道优化方法
CN103063216A (zh) 一种基于星像坐标建模的惯性与天文组合导航方法
CN109159922B (zh) 一种低倾角卫星星敏感器使用方法
CN105928524A (zh) 太阳同步轨道卫星三视场星敏感器安装指向设计方法
CN104252548A (zh) 一种燃料最优的火星探测器入轨目标点设计方法
CN112629543A (zh) 一种大椭圆轨道及小倾角圆轨道的轨道规划方法
CN111207773B (zh) 一种用于仿生偏振光导航的姿态无约束优化求解方法
CN100574007C (zh) 基于最佳调整角的大型天线反射面重力预调方法
CN114577201B (zh) 一种航天器多星敏感器布局的优化方法
CN113091753B (zh) 用于星敏视场保护的卫星姿态导引方法及其系统
CN103604433A (zh) 一种复合光学敏感器及其实现方法
CN113063436B (zh) 评估卫星稳定度及指向精度在轨性能的预报方法及系统
CN112287542B (zh) 一种电推进器标定方法、装置、设备及存储介质
CN106643742B (zh) 一种卫星自主连续观测小行星的方法
CN111027159B (zh) 一种基于逻辑追溯的星敏感器空间布局方法
CN105373646B (zh) 天文光学望远镜主镜轴支撑的一种变网格复合优化法
CN111780745A (zh) 一种面向深空探测光学导航的短弧椭圆拟合优化方法
Xie et al. An autonomous star identification algorithm based on the directed circularity pattern
CN112329202B (zh) 一种火星车对环绕器天线指向算法的优化实现方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant