CN114735232A - 一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法及采用该方法设计的太阳帆板装置 - Google Patents

一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法及采用该方法设计的太阳帆板装置 Download PDF

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马维良
吴凡
奚瑞辰
董旭
乐欣龙
苏莹莹
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Abstract

本发明公开了太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法及采用该方法设计的太阳帆板装置，属于卫星太阳帆板技术领域，解决现有太阳帆板姿态调整难度、制作成本高和研制周期长的问题。本发明的方法包括：建立卫星本体坐标系，所述卫星本体坐标系与轨道坐标系重合；将太阳帆板旋转轴与太阳矢量的旋转轴线重合；计算太阳矢量与轨道面的夹角β；根据所述夹角β，获取太阳帆板法线与太阳帆板旋转轴的夹角α，所述夹角α与所述夹角β互为余角；根据所述夹角α，设计太阳帆板装置。本发明适用于姿态保持不变的遥感卫星的太阳帆板装置的设计。

Description

一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法及采用该方 法设计的太阳帆板装置
技术领域
本申请涉及卫星太阳帆板技术领域，尤其涉及一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法及采用该方法设计的太阳帆板装置。
背景技术
现有太阳同步轨道卫星的太阳帆板部分采用单轴SADA(太阳帆板驱动机构)并且SADA转动轴线与太阳帆板法相垂直，再利用卫星的姿态控制系统可以实现对日定向。
现有太阳帆板需要使用太阳帆板伺服系统,使太阳能电池阵始终指向太阳,载荷指向任务方向,以保证在不间断任务的情况下,为卫星系统提供充足的能源。现有单轴帆板驱动装置大多使用电机伺服系统，包括步进电机以及减速器，以及伺服控制系统，实现帆板实时对日定向，即：现有的太阳帆板都需要双轴控制才能够实现跟踪太阳。
对于在执行任务时姿态需保持不变的遥感卫星，如果采用现有的太阳帆板，需要进行类似于激光建链等操作，不便于姿态调整，操作复杂、制作成本非常高、研制周期长。
发明内容
本发明目的是为了解决现有太阳帆板姿态调整难度、制作成本高和研制周期长的问题，提供了一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法及采用该方法设计的太阳帆板装置。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法，所述方法包括：
建立卫星本体坐标系，所述卫星本体坐标系与轨道坐标系重合；
将太阳帆板旋转轴与太阳矢量的旋转轴线重合；
计算太阳矢量与轨道面的夹角β；
根据所述夹角β，获取太阳帆板法线与太阳帆板旋转轴的夹角α，所述夹角α与所述夹角β互为余角；
根据所述夹角α，设计太阳帆板装置。
进一步地，所述太阳矢量与轨道面的夹角β为若干个时间段对应的太阳矢量与轨道面的夹角的平均值。
进一步地，所述时间段为一年。
另一方面，本发明提供一种采用如上述所述的一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法的太阳帆板装置，所述装置包括：太阳帆板、太阳帆板驱动装置、连接杆和角度锁紧装置；
所述连接杆与太阳帆板旋转轴处于同一直线上；
所述角度锁紧装置用于连接所述连接杆与所述太阳帆板，所述连接杆所在的直线与太阳帆板法线的夹角为α；
所述连接杆的另一端与所述太阳帆板驱动装置连接，所述太阳帆板驱动装置用于驱动所述太阳帆板旋转。
进一步地，所述连接杆与所述太阳帆板固定连接。
进一步地，所述太阳帆板驱动装置为单轴。
本发明所述现有太阳帆板采用了全新的设计思路，采用了克服了现有技术的偏见的思路，使其不需要采用现有同类产品的双轴驱动方式来驱动，具有驱动简单、成本低的优点：
1.本发明针对姿态稳定的遥感卫星的特性，设计了一种SADA轴线与太阳帆板法向轴线不垂直的一种新型太阳帆板构型，可以实现不调整姿态的情况下实现对日定向；
2.本发明的太阳帆板装置对于太阳能的利用率可达98％以上,本发明在保证太阳能利用率高的前提下，操作方便和结构简单，进而研究周期短；原来的单轴控制系统需要配合卫星本体的姿态调整，实现帆板实时对日定向，但鉴于在某些执行长期对地定向的太阳同步轨道卫星来说，使用传统的单轴sada不容易实现较高的太阳能利用率。
3.本发明的太阳帆板装置可以采用单轴SADA，相较于双轴SADA可节省大量成本，提高可靠度，目前现有的单轴sada上集成有太阳敏感器以及伺服驱动系统，可以实现当前姿态下的对日定向，本发明采用Beta角结合单轴sada的方式就可以实现双轴sada基本功能。
本发明所述的太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法，能够引导太阳帆板装置设计的新思路，本发明适用于姿态保持不变的遥感卫星的太阳帆板装置的设计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的太阳能帆板装置的结构示意图；
其中，1-太阳帆板；2-角度锁紧装置；3-连接杆；4-太阳帆板驱动装置；5-卫星本体；6-卫星的对地荷载；7-卫星运行轨道。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施方式一、如图1所示，一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法，所述方法包括：
建立卫星本体坐标系，所述卫星本体坐标系与轨道坐标系重合；
具体为，定义坐标系如下：本坐标系建立在圆轨道基础上，卫星本体坐标系以图示为准，即Xb指向卫星运行速度方向，Zb指向与卫星底部对地载荷指向方向一致，Yb由右手定则给出。轨道坐标系VVLH(Vehicle Velocity,Local Horizontal)X轴指向轨道速度方向，Z轴指向地心，Y轴垂直于轨道面方向由右手定则给出。
由于部分卫星在执行任务时姿态需保持不变，因此轨道坐标系VVLH(VehicleVelocity,Local Horizontal)与本体坐标系(XbYbZb)重合，以下使用本体坐标系描述卫星运动。
将太阳帆板旋转轴与太阳矢量的旋转轴线重合；
本体坐标系的原点在卫星中心，X轴方向指向卫星前进方向，Z轴指向卫星底部，Y轴由右手定则确定，并且，轨道坐标系的X、Y、Z轴分别与本体坐标系的Xb、Yb、Zb轴方向一致。
需要说明的是，太阳同步轨道上的卫星在本体坐标系下的太阳矢量在每个轨道周期中的运动在本体坐标系下是一个圆锥面，且圆锥面的轴线与本体坐标系的Yb轴共线，设太阳矢量与轨道面(XbObZb)夹角为β角，若将帆板的旋转轴线与太阳矢量的旋转轴线重合，将不再需要姿态配合控制。
计算太阳矢量与轨道面的夹角β；
根据所述夹角β，获取太阳帆板法线与太阳帆板旋转轴的夹角α，所述夹角α与所述夹角β互为余角；
根据所述夹角α，设计太阳帆板装置。
本实施方式中，基于此种帆板平面与帆板旋转平面不共面的太阳帆板构型，通过改变预设的帆板法线与旋转轴线的夹角α使得与该轨道上的β角(太阳矢量与轨道面夹角)互为余角，即α+β＝90°，并对SADA进行太阳跟踪控制，可以满足在同一轨道面上太阳矢量运动面与帆板法向矢量保持平行，使得太阳的能量利用率达到最高。
实施方式二，本实施方式是对实施方式一所述的一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法的进一步限定，本实施方式中，对所述太阳矢量与轨道面的夹角β，做了进一步限定，具体包括：所述太阳矢量与轨道面的夹角β为若干个时间段对应的太阳矢量与轨道面的夹角的平均值。
首先计算太阳同步轨道的β角，并依据平均β角
Figure BDA0003526455860000043
来确定帆板与旋转轴夹角。
平均β角计算方法：
首先输入一段时间内的β角与时刻关系记为：
β＝f(t)
则平均β角
Figure BDA0003526455860000041
为：
Figure BDA0003526455860000042
其中：tn为一段时间的时间间隔，f(tn)为n时刻的β角，k为使用的β角的采样总数量。
需要说明的是，由于夹角β会随着时间产生误差，所以利用平均值去确定夹角β，可以提升夹角β的计算准确性，进而提高太阳能的利用率。
所述时间段为一年。
需要说明的是，时间段选取一年即可以满足夹角β的计算精度，无需细化，进而减少数据的复杂度。
实施方式三、一种采用实施方式一和实施方式二任一项所述的一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法的太阳帆板装置，所述装置包括：太阳帆板、太阳帆板驱动装置、连接杆和角度锁紧装置；
所述连接杆与太阳帆板旋转轴处于同一直线上；
所述角度锁紧装置用于连接所述连接杆与所述太阳帆板，所述连接杆所在的直线与太阳帆板法线的夹角为α；
需要说明的是，帆板旋转轴线与帆板所在平面不共面，即此轴线与帆板面相交，且夹角大小和太阳矢量与轨道面夹角相等。
所述连接杆的另一端与所述太阳帆板驱动装置连接，所述太阳帆板驱动装置用于驱动所述太阳帆板旋转。
使用单轴SADA对此构型的太阳帆板进行驱动，实现对日的实时定向。
所述连接杆与所述太阳帆板固定连接。
对于姿态稳定的卫星，由于无需调整姿态，所以连接杆与太阳帆板固定连接即可，进而减少制造成本和复杂度。
所述太阳帆板驱动装置为单轴。
本实施方式中，太阳帆板驱动装置适用单轴即可，进而也可减少装置的复杂度和成本。
结构中需包括单轴的太阳帆板驱动装置，角度锁紧装置以及太阳帆板，必要时可添加连接杆的伸缩装置，作用是减少包络空间，节约体积。
本实施方式基于太阳同步轨道的性质提出了一种太阳帆板构型设计方法，通过计算不同轨道的特性，最大限度利用太阳能量，使用统一构型、降低研制成本、缩短研制周期，适用于低成本卫星设计研制。运用此种构型，可使太阳能利用率达到98％以上，并且相较于双轴SADA可节省大量成本，提高可靠度。
针对轨道高度为500km的太阳同步轨道卫星来说，设其降交点地方时为9点时，考虑J2地球引力势影响，从7Jan 202204:00:00UTCG开始，其太阳矢量夹角与卫星本体坐标系Y轴夹角为134.4°，卫星在一年范围内，β角全年变化范围在36.4°～48.8°之间，经计算平均β角后，选择α角为42.5°，其全年平均效率在99％以上。

Claims (6)

1.一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法，其特征在于，所述方法包括：
建立卫星本体坐标系，所述卫星本体坐标系与轨道坐标系重合；
将太阳帆板旋转轴与太阳矢量的旋转轴线重合；
计算太阳矢量与轨道面的夹角β；
根据所述夹角β，获取太阳帆板法线与太阳帆板旋转轴的夹角α，所述夹角α与所述夹角β互为余角；
根据所述夹角α，设计太阳帆板装置。
2.根据权利要求1所述的一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法，其特征在于，所述太阳矢量与轨道面的夹角β为若干个时间段对应的太阳矢量与轨道面的夹角的平均值。
3.根据权利要求2所述的一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法，其特征在于，所述时间段为一年。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述的一种太阳同步轨道卫星的太阳帆板装置设计方法的太阳帆板装置，其特征在于，所述装置包括：太阳帆板、太阳帆板驱动装置、连接杆和角度锁紧装置；
所述连接杆与太阳帆板旋转轴处于同一直线上；
所述角度锁紧装置用于连接所述连接杆与所述太阳帆板，所述连接杆所在的直线与太阳帆板法线的夹角为α；
所述连接杆的另一端与所述太阳帆板驱动装置连接，所述太阳帆板驱动装置用于驱动所述太阳帆板旋转。
5.根据权利要求4所述的太阳帆板装置，其特征在于，所述连接杆与所述太阳帆板固定连接。
6.根据权利要求4所述的太阳帆板装置，其特征在于，所述太阳帆板驱动装置为单轴。
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