一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法
【專利摘要】一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法，首先建立衛(wèi)星質(zhì)心軌道坐標(biāo)系、航天器本體坐標(biāo)系、地心赤道慣性坐標(biāo)系，并獲取太陽(yáng)光線與衛(wèi)星軌道平面法線的夾角，然后對(duì)夾角進(jìn)行判斷，根據(jù)不同夾角控制衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)并且調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向，完成大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向控制。本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中使用單自由度太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的衛(wèi)星為滿足太陽(yáng)光線垂直于衛(wèi)星太陽(yáng)帆板要求，衛(wèi)星偏航角一直受控并存在太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)速較大，不利于衛(wèi)星有效載荷的穩(wěn)定性的缺陷，通過(guò)根據(jù)太陽(yáng)光線矢量方向與衛(wèi)星軌道法線方向的角度θ設(shè)計(jì)三種太陽(yáng)帆板指向調(diào)節(jié)模式滿足了大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板的指向需求，具有載荷穩(wěn)定性高，操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的 大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了充分利用星載太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能，衛(wèi)星一般設(shè)有一翼或兩翼船帆似的布 滿了太陽(yáng)能電池片的板，為使星載太陽(yáng)能電池達(dá)到較高利用率進(jìn)而滿足衛(wèi)星供配電分系統(tǒng) 的供電要求，衛(wèi)星需要控制其太陽(yáng)帆板法線方向與太陽(yáng)光線夾角θ 8不大于45°。現(xiàn)有的太陽(yáng) 帆板指向方法包括一維指向控制方法、二維指向控制方法。
[0003] 由于太陽(yáng)黃道面的夾角約為23.5°，太大的衛(wèi)星軌道傾角將導(dǎo)致衛(wèi)星在非太陽(yáng)同 步軌道運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)有的一維指向控制方法無(wú)法滿足衛(wèi)星電源分系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)帆板和太陽(yáng)矢量 間夾角的需求。銥星星座和全球星星座是兩個(gè)最典型的低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星星座，在解決大 傾角軌道衛(wèi)星的太陽(yáng)帆板指向問(wèn)題時(shí)，它們都通過(guò)雙軸太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成太陽(yáng)帆板 的二維指向。雙軸太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Α軸機(jī)構(gòu)、Β軸機(jī)構(gòu)，其中，Α軸機(jī)構(gòu)提供360°的連 續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使太陽(yáng)帆板法線與太陽(yáng)矢量在衛(wèi)星軌道平面內(nèi)的投影平行，B軸機(jī)構(gòu)提供一定范圍 內(nèi)的擺動(dòng)使太陽(yáng)帆板法線與太陽(yáng)矢量保持盡量小的夾角。
[0004] 雙軸太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)一維指向控制方法中的單軸太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 可靠度明顯降低，但是太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是衛(wèi)星的關(guān)鍵性部件之一，其出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致 整顆衛(wèi)星的失效。另外，類似銥星星座、全球星星座的低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星星座使用的是小型 衛(wèi)星，這種衛(wèi)星為了有效地控制成本其采用的設(shè)計(jì)原則是強(qiáng)調(diào)尺寸、重量和功率的限制，并 盡可能避繁就簡(jiǎn)。因此，需要提出一種新的通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)大傾角軌道衛(wèi)星 的太陽(yáng)帆板對(duì)日指向要求的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種通過(guò)使用單自由度 太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成了在大傾角軌道的衛(wèi)星太陽(yáng)帆板對(duì)日指向問(wèn)題，具有硬件機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高優(yōu)點(diǎn)的簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向 方法，包括如下步驟：
[0007] (1)以衛(wèi)星質(zhì)心為原點(diǎn)、衛(wèi)星軌道內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)行方向?yàn)閄2軸指向、地心指向衛(wèi)星質(zhì)心 方向?yàn)閆2軸指向、y 2滿足右手定則建立衛(wèi)星質(zhì)心軌道坐標(biāo)系Sx2y2Z2(S2)，以衛(wèi)星質(zhì)心為原 點(diǎn)、原點(diǎn)指向衛(wèi)星南面板的指向?yàn)閅軸指向、原點(diǎn)指向衛(wèi)星對(duì)地板的指向?yàn)閆軸指向、X軸滿 足右手定則建立航天器本體坐標(biāo)系SXYZ(S)，將地心赤道慣性坐標(biāo)系記為OxoyozVSo);
[0008] (2)獲取太陽(yáng)光線與衛(wèi)星軌道平面法線的夾角Θ并判斷，如果45° <θ<135°，則轉(zhuǎn) 入步驟(3)，如果θ>135°，則轉(zhuǎn)入步驟(4)，如果θ〈45°，則轉(zhuǎn)入步驟(5);
[0009] (3)控制衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)，且衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與衛(wèi)星當(dāng)前在軌道平面 內(nèi)的角速度大小相同、方向相反；
[0010] (4)調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向直至與衛(wèi)星當(dāng)前軌道平面平行，然后調(diào)整衛(wèi)星太 陽(yáng)帆板法線方向直至與衛(wèi)星軌道平面法向方向相同；
[0011] (5)調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向直至與衛(wèi)星當(dāng)前軌道面平行，然后調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng) 帆板法線與衛(wèi)星軌道平面法向方向相反。
[0012] 所述的步驟（3)中控制衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中需要保持衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法線、 太陽(yáng)光線在衛(wèi)星軌道平面上的投影夾角小于容許誤差角，其中，容許誤差角大于0°。
[0013] 所述的步驟(4)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向并與衛(wèi)星當(dāng)前軌道平面平行的方法 為:調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)偏航角Φ為90°。
[0014] 所述的步驟(4)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法線方向直至與衛(wèi)星軌道平面法向方向相同 的方法為:控制衛(wèi)星帆板正向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其中，衛(wèi)星帆板正向?yàn)槔@衛(wèi)星本體系Y軸右手螺旋方 向。
[0015] 所述的步驟（5)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向直至與衛(wèi)星軌道面平行的方法為： 調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)偏航角Φ為90°。
[0016] 所述的步驟（5)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法線與衛(wèi)星軌道平面法向方向相反的方法 為：控制衛(wèi)星太陽(yáng)帆板反向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其中，衛(wèi)星帆板反向?yàn)槔@衛(wèi)星本體系Y軸左手螺旋方 向。
[0017] 所述的保持衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法線、太陽(yáng)光線在衛(wèi)星軌道平面上的投影夾角小于容許 誤差角的方法為：利用衛(wèi)星太陽(yáng)帆板上的太陽(yáng)敏感器對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行反饋控 制。
[0018] 所述的容許誤差角的取值范圍為[0,0.1°]。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0020] (1)本發(fā)明方法通過(guò)使用單自由度太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成了在大傾角軌道的衛(wèi)星 太陽(yáng)帆板的對(duì)日指向問(wèn)題，與現(xiàn)有的二維指向控制方法相比，具有硬件機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定 性尚的優(yōu)點(diǎn)；
[0021] (2)本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有技術(shù)為滿足太陽(yáng)光線垂直于衛(wèi)星太陽(yáng)帆板要求，衛(wèi)星 偏航角一直受控并存在太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)速較大，不利于衛(wèi)星有效載荷的穩(wěn)定性的缺陷，通過(guò)根 據(jù)太陽(yáng)光線矢量方向與衛(wèi)星軌道法線方向的角度Θ設(shè)計(jì)三種太陽(yáng)帆板指向調(diào)節(jié)模式滿足了 大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板的指向需求，具有載荷穩(wěn)定性高，操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；
[0022] (3)本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，單自由度太陽(yáng)帆板對(duì)日定向、偏航角姿態(tài)調(diào)整都 是現(xiàn)有成熟技術(shù)，同時(shí)模式二和模式三的控制角度參數(shù)都固定，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低，可利 用工程價(jià)值高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明方法中使用的坐標(biāo)系示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明方法中模式一控制中太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)軸一天內(nèi)隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)動(dòng)角 度；
[0025] 圖3為本發(fā)明方法中進(jìn)行模式一控制時(shí)太陽(yáng)光線在衛(wèi)星本體系中的分量圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明方法考慮攝動(dòng)情況下使用模式一控制時(shí)一年內(nèi)太陽(yáng)帆板法線方向和 太陽(yáng)光線的夾角變化，其中，"實(shí)線為軌道傾角為70°的變化，"虛線·"為軌道傾角為20° 的變化；
[0027]圖5為本發(fā)明方法連續(xù)控制一年太陽(yáng)帆板法線方向與太陽(yáng)光線的夾角變化。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆 板指向方法，根據(jù)太陽(yáng)光線矢量方向與衛(wèi)星軌道法線方向的角度Θ設(shè)計(jì)三種太陽(yáng)帆板指向 調(diào)節(jié)模式來(lái)滿足大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板的指向需求，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō) 明。
[0029] 如圖1所示為本發(fā)明方法所需要用到的坐標(biāo)系，包括（1)地心赤道慣性坐標(biāo)系 Oxoyoz〇(S()); (2)航天器質(zhì)心軌道坐標(biāo)系Sx2y2Z2(S2):原點(diǎn)在衛(wèi)星的質(zhì)心上，軸Z2由地心指向 衛(wèi)星的質(zhì)心方向，軸X2在軌道面內(nèi)指向航天器運(yùn)行方向，軸y 2垂直于軌道平面，與衛(wèi)星的角 動(dòng)量矢量方向相反；（3)航天器本體坐標(biāo)系SXYZ(S):原點(diǎn)在衛(wèi)星的質(zhì)心上，X軸自原點(diǎn)指向 衛(wèi)星東面板，Y軸自原點(diǎn)指向衛(wèi)星南面板，即為太陽(yáng)帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，Z軸自原點(diǎn)指向衛(wèi)星對(duì)地 板，為衛(wèi)星的偏航軸。然后令初始時(shí)刻衛(wèi)星的偏航角為0,此時(shí)本體坐標(biāo)系S與航天器質(zhì)心軌 道坐標(biāo)系S2重合。
[0030] 由于衛(wèi)星需保持對(duì)地板始終指向地球的三軸穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)控 制只能對(duì)衛(wèi)星的偏航軸（即本體坐標(biāo)系的Z軸)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，設(shè)偏航角度為Φ，則質(zhì)心軌道坐標(biāo) 系Sx 2y2Z2(S2)和本體坐標(biāo)系SXYZ(S)的坐標(biāo)關(guān)系為
[0031] s，=Az(il〇S2， (1)
[0032] 其中，Az為衛(wèi)星以本體坐標(biāo)系的Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的方向余弦矩陣，Ay為衛(wèi)星以本體坐 標(biāo)系Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的方向余弦矩陣，A x為衛(wèi)星以本體坐標(biāo)系X軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的方向余弦矩陣， S '為太陽(yáng)光線在本體坐標(biāo)系中單位矢量，S2 '為太陽(yáng)光線在質(zhì)心軌道坐標(biāo)系中單位矢量； [0033] So'為太陽(yáng)光線在地心赤道慣性坐標(biāo)系中的單位矢量，將其轉(zhuǎn)化到衛(wèi)星質(zhì)心軌道 坐標(biāo)系中，得到太陽(yáng)光線在航天器質(zhì)心軌道坐標(biāo)系中的單位矢量&'為
[0034] S2，=Az(90° )Ay(-90° )Az(u)Ax(i)Az( Ω )So' (2)
[0035] 其中，u為地心赤道慣性坐標(biāo)系下衛(wèi)星煒度幅角，i為地心赤道慣性坐標(biāo)系下衛(wèi)星 的軌道傾角，Ω為地心赤道慣性坐標(biāo)系下衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)。
[0036] 則太陽(yáng)光線在本體坐標(biāo)系中的單位矢量表示為
[0037] 8，=Αζ(Φ)Αζ(90〇)Αγ(-90〇)Αζ(π)Αχ(?)Αζ(Ω)8ο ，= [8χ Sy SZ]T (3)
[0038] 其中，?、Ω及So'為長(zhǎng)周期變化量，5^^^、￥、2為構(gòu)造的向量，為方便描述令
[0039] [X Υ Ζ]τ=Αχ(?)Αζ( Ω )So (4)
[0040] 太陽(yáng)帆板法線矢量初始位置在衛(wèi)星本體坐標(biāo)下為
[0041] Do=[0 0 -1]τ
[0042] 令太陽(yáng)帆板法線繞帆板轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)角度為q，轉(zhuǎn)動(dòng)方向定義為繞衛(wèi)星本體系Υ軸右 手螺旋方向?yàn)檎?，則旋轉(zhuǎn)后太陽(yáng)帆板法線矢量在本體坐標(biāo)系下為
[0043] Di = Ay(q)Do= [sinq 0-cosq]T (5)
[0044] 當(dāng)使用單自由度太陽(yáng)帆板進(jìn)行低軌衛(wèi)星的太陽(yáng)帆板指向控制時(shí)，不進(jìn)行偏航角的 調(diào)整，g卩φ = 0，太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行，太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與衛(wèi)星運(yùn)行的角 速度大小相同、方向相反，以此為衛(wèi)星太陽(yáng)帆板對(duì)日指向控制的模式一狀態(tài)。同時(shí)利用太陽(yáng) 敏感器通過(guò)反饋控制，保持太陽(yáng)帆板法線方向和太陽(yáng)光線矢量在軌道平面的投影夾角小于 容許誤差角（[0，0.1° ])。此時(shí)，在衛(wèi)星本體坐標(biāo)下太陽(yáng)光線矢量在衛(wèi)星軌道平面的投影矢 量Sxy為
[0045] Sxy=[Sx 0 Sz]T
[0046] 則太陽(yáng)帆板所需要旋轉(zhuǎn)角度q有
[0047] 當(dāng)Sx>0時(shí)
[0048] q = arccos(DiT · (_SXy)) =arccos(Xcosu+Ysinu) (6)
[0049] 當(dāng)Sx〈0時(shí)
[0050] q = 23T-arccos(DiT · (_SXy)) = 23T-arccos(Xcosu+Ysinu) (7)
[0051] 如圖3所示為太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制后太陽(yáng)光線單位矢量在本體坐標(biāo)系下 的幾何關(guān)系，令太陽(yáng)帆板法線矢量與太陽(yáng)光線夾角為9 S，則
[0052] sin9s= | cos(jt-0) | = | Sy | = | [0 1 0]S' | = | sinitsinuX-sinitcosuY-cositZ | = |-Z (Φ = 〇) (8)
[0053]
[0054] 其中，Θ為太陽(yáng)光線矢量與軌道平面法線方向的角度，可通過(guò)地面測(cè)控站計(jì)算獲 取。當(dāng)太陽(yáng)光線矢量與軌道平面法線方向的角度θ>90°時(shí)，此時(shí)S y>0,可得
[0055] sin9s = -Z (9)
[0056] 當(dāng)太陽(yáng)光線矢量與軌道平面法線方向角度θ〈90°時(shí)，此時(shí)Sy〈0,可得
[0057] sin9s = Z (10)
[0058] 已知衛(wèi)星的偏航角Φ和衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度q，可以求得太陽(yáng)帆布法線方向和 太陽(yáng)光線的夾角93有
[0059] eos^s - D,'?5 - [cosf sin<:/cos^9 -sing si η 99] A" ￥ Z]' (11)
[0060] 通過(guò)對(duì)（11)式得觀察得，當(dāng)q = 90°，Φ = 90°時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90°， 衛(wèi)星的偏航角為90°，可得調(diào)整后太陽(yáng)矢量與太陽(yáng)帆板法線的夾角0/，
[0061] cos9s' =DiT · S = -Z (12)
[0062] 通過(guò)(9)式和（12)式的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行如上所述令太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 90°，衛(wèi)星的偏航角為90°的簡(jiǎn)單的姿態(tài)調(diào)整時(shí)，姿態(tài)調(diào)整前和姿態(tài)調(diào)整后的夾角互余，即
[0063] 0s，+0s = 9〇° (13)
[0064] 根據(jù)電源分系統(tǒng)的充電要求，當(dāng)0彡0S<45°時(shí)，太陽(yáng)翼的對(duì)日指向即可滿足電源 需求，即在太陽(yáng)光線與太陽(yáng)帆板法線的夾角保持一定范圍時(shí)，衛(wèi)星不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)也可滿 足充電要求。這樣當(dāng)θ>90°時(shí)，設(shè)定模式二狀態(tài)為調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)偏航角，使Φ = 90°，這樣太陽(yáng) 帆板的轉(zhuǎn)軸方向與衛(wèi)星軌道面平行，同時(shí)帆板正向轉(zhuǎn)動(dòng)90°使太陽(yáng)帆板法線與衛(wèi)星軌道平 面法向的方向相同。這時(shí)模式一和模式二總有一種模式滿足當(dāng)太陽(yáng)矢量與太陽(yáng)帆板法線的 夾角要求。
[0065]當(dāng)太陽(yáng)矢量與太陽(yáng)帆板法線的夾角超出45°時(shí)，衛(wèi)星進(jìn)行模式一與模式二之間的 轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)矢量與軌道面法線的夾角90° <θ<135°，選擇模式一;太陽(yáng)矢量與軌道面法線的 夾角θ>135°，選擇模式二。
[0066]同理，令模式三狀態(tài)為調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)偏航角，使Φ = 90°，這樣太陽(yáng)帆板的轉(zhuǎn)軸方向 與衛(wèi)星軌道面平行，同時(shí)帆板反向轉(zhuǎn)動(dòng)90°使太陽(yáng)帆板法線與衛(wèi)星軌道平面法向的方向相 反，可得調(diào)整后太陽(yáng)矢量與太陽(yáng)帆板法線的夾角9S'，
[0067] cos9s' =DiT · S = Z (14)
[0068] 通過(guò)（10)式和（14)式的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行如上模式三所述簡(jiǎn)單的姿態(tài)調(diào)整時(shí)， 姿態(tài)調(diào)整前和姿態(tài)調(diào)整后的夾角互余，即
[0069] 0s，+0s = 9〇。 （15)
[0070] 這樣當(dāng)θ〈90°時(shí)，令模式三狀態(tài)中太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)角q = _90°，衛(wèi)星姿態(tài)偏航角Φ = 90°，模式一和模式三總有一種模式滿足當(dāng)太陽(yáng)矢量與太陽(yáng)帆板法線的夾角要求。
[0071] 當(dāng)太陽(yáng)矢量與太陽(yáng)帆板法線的夾角超出45°時(shí)，衛(wèi)星進(jìn)行模式一與模式三之間的 轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)矢量與軌道面法線的夾角45° <θ<90°，選擇模式一;太陽(yáng)矢量與軌道面法線的 夾角θ〈45°，選擇模式三。
[0072] 根據(jù)上述模式轉(zhuǎn)化方法，構(gòu)成衛(wèi)星簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的太陽(yáng)帆板指向方法。
[0073] 以銥星通信衛(wèi)星星座中某顆星為例，其中，半長(zhǎng)軸a = 7173.500668km，偏心率e = 0.000996，當(dāng)取其傾角分別為i = 20°和70°時(shí)，假定在春分點(diǎn)時(shí)刻處，帆板的初始狀態(tài)為:帆 板法線正背著地心，與太陽(yáng)光線在一條線上。如圖2所示為模式一狀態(tài)下太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)軸一 天內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。如圖4所示為只使用模式一控制情況下考慮攝動(dòng)時(shí)軌道傾角為20°和70° 一年內(nèi)的太陽(yáng)帆板法線與太陽(yáng)光線的夾角。由上可知只使用模式一進(jìn)行太陽(yáng)帆板的指向， 對(duì)軌道傾角較大的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)無(wú)法滿足供配電對(duì)太陽(yáng)帆布的指向要求。如圖5所示為按照本 發(fā)明簡(jiǎn)單姿態(tài)控制方法進(jìn)行控制后的一年內(nèi)的太陽(yáng)帆板法線與太陽(yáng)光線的夾角，軌道傾角 為70°，對(duì)比可以得到衛(wèi)星在一年之中進(jìn)行了 13次的模式轉(zhuǎn)換即可滿足太陽(yáng)帆板法線與太 陽(yáng)光線的夾角要求，驗(yàn)證表明了本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、具有較好的可操作性、反饋效果好。
[0074]本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法，其特征在于包括如下步 驟： (1) 以衛(wèi)星質(zhì)心為原點(diǎn)、衛(wèi)星軌道內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)行方向?yàn)閄2軸指向、地心指向衛(wèi)星質(zhì)心方向 為Z2軸指向、y2滿足右手定則建立衛(wèi)星質(zhì)心軌道坐標(biāo)系Sx 2y2Z2(S2)，以衛(wèi)星質(zhì)心為原點(diǎn)、原 點(diǎn)指向衛(wèi)星南面板的指向?yàn)閅軸指向、原點(diǎn)指向衛(wèi)星對(duì)地板的指向?yàn)閆軸指向、X軸滿足右手 定則建立航天器本體坐標(biāo)系SXYZ(S)，將地心赤道慣性坐標(biāo)系記為Ox QyQZ()(S0); (2) 獲取太陽(yáng)光線與衛(wèi)星軌道平面法線的夾角Θ并判斷，如果45° <θ<135°，則轉(zhuǎn)入步 驟(3)，如果θ>135°，則轉(zhuǎn)入步驟(4)，如果θ〈45°，則轉(zhuǎn)入步驟(5); (3) 控制衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)，且衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與衛(wèi)星當(dāng)前在軌道平面內(nèi)的 角速度大小相同、方向相反； (4) 調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向直至與衛(wèi)星當(dāng)前軌道平面平行，然后調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆 板法線方向直至與衛(wèi)星軌道平面法向方向相同； (5) 調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向直至與衛(wèi)星當(dāng)前軌道面平行，然后調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板 法線與衛(wèi)星軌道平面法向方向相反。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法， 其特征在于:所述的步驟(3)中控制衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中需要保持衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法 線、太陽(yáng)光線在衛(wèi)星軌道平面上的投影夾角小于容許誤差角，其中，容許誤差角大于0°。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方 法，其特征在于:所述的步驟(4)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向并與衛(wèi)星當(dāng)前軌道平面平行 的方法為:調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)偏航角Φ為90°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方 法，其特征在于:所述的步驟(4)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法線方向直至與衛(wèi)星軌道平面法向方 向相同的方法為:控制衛(wèi)星帆板正向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其中，衛(wèi)星帆板正向?yàn)槔@衛(wèi)星本體系Υ軸右手 螺旋方向。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方 法，其特征在于:所述的步驟(5)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)軸方向直至與衛(wèi)星軌道面平行的方 法為:調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)偏航角Φ為90°。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法， 其特征在于:所述的步驟(5)中調(diào)整衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法線與衛(wèi)星軌道平面法向方向相反的方 法為:控制衛(wèi)星太陽(yáng)帆板反向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其中，衛(wèi)星帆板反向?yàn)槔@衛(wèi)星本體系Υ軸左手螺旋方 向。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法， 其特征在于:所述的保持衛(wèi)星太陽(yáng)帆板法線、太陽(yáng)光線在衛(wèi)星軌道平面上的投影夾角小于 容許誤差角的方法為:利用衛(wèi)星太陽(yáng)帆板上的太陽(yáng)敏感器對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行反饋 控制。8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種簡(jiǎn)單姿態(tài)控制下的大傾角軌道衛(wèi)星太陽(yáng)帆板指向方法， 其特征在于:所述的容許誤差角的取值范圍為[0，〇. 1° ]。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106096148SQ201610423963
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日 公開(kāi)號(hào)201610423963.1, CN 106096148 A, CN 106096148A, CN 201610423963, CN-A-106096148, CN106096148 A, CN106096148A, CN201610423963, CN201610423963.1
【發(fā)明人】經(jīng)姚翔, 趙義平, 李峰
【申請(qǐng)人】中國(guó)空間技術(shù)研究院