一种简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法，首先建立卫星质心轨道坐标系、航天器本体坐标系、地心赤道惯性坐标系，并获取太阳光线与卫星轨道平面法线的夹角，然后对夹角进行判断，根据不同夹角控制卫星太阳帆板转动并且调整卫星太阳帆板转轴方向，完成大倾角轨道卫星太阳帆板指向控制。本发明专利技术方法克服了现有技术中使用单自由度太阳帆板驱动机构的卫星为满足太阳光线垂直于卫星太阳帆板要求，卫星偏航角一直受控并存在太阳帆板转速较大，不利于卫星有效载荷的稳定性的缺陷，通过根据太阳光线矢量方向与卫星轨道法线方向的角度θ设计三种太阳帆板指向调节模式满足了大倾角轨道卫星太阳帆板的指向需求，具有载荷稳定性高，操作简单的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及卫星轨道姿态动力学与控制
，特别是一种简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法。
技术介绍
为了充分利用星载太阳能电池产生的电能，卫星一般设有一翼或两翼船帆似的布满了太阳能电池片的板，为使星载太阳能电池达到较高利用率进而满足卫星供配电分系统的供电要求，卫星需要控制其太阳帆板法线方向与太阳光线夹角θs不大于45°。现有的太阳帆板指向方法包括一维指向控制方法、二维指向控制方法。由于太阳黄道面的夹角约为23.5°，太大的卫星轨道倾角将导致卫星在非太阳同步轨道运行时，现有的一维指向控制方法无法满足卫星电源分系统对太阳帆板和太阳矢量间夹角的需求。铱星星座和全球星星座是两个最典型的低轨移动通信卫星星座，在解决大倾角轨道卫星的太阳帆板指向问题时，它们都通过双轴太阳电池阵驱动机构完成太阳帆板的二维指向。双轴太阳电池阵驱动机构包括A轴机构、B轴机构，其中，A轴机构提供360°的连续转动使太阳帆板法线与太阳矢量在卫星轨道平面内的投影平行，B轴机构提供一定范围内的摆动使太阳帆板法线与太阳矢量保持尽量小的夹角。双轴太阳电池阵驱动机构相对一维指向控制方法中的单轴太阳电池阵驱动机构可靠度明显降低，但是太阳电池阵驱动机构是卫星的关键性部件之一，其出现问题会导致整颗卫星的失效。另外，类似铱星星座、全球星星座的低轨移动通信卫星星座使用的是小型卫星，这种卫星为了有效地控制成本其采用的设计原则是强调尺寸、重量和功率的限制，并尽可能避繁就简。因此，需要提出一种新的通过简单调整卫星姿态来实现大倾角轨道卫星的太阳帆板对日指向要求的方法。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过使用单自由度太阳帆板驱动机构完成了在大倾角轨道的卫星太阳帆板对日指向问题，具有硬件机构实现简单，稳定性高优点的简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法。本专利技术的技术解决方案是：一种简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法，包括如下步骤：(1)以卫星质心为原点、卫星轨道内卫星运行方向为x2轴指向、地心指向卫星质心方向为z2轴指向、y2满足右手定则建立卫星质心轨道坐标系Sx2y2z2(S2)，以卫星质心为原点、原点指向卫星南面板的指向为Y轴指向、原点指向卫星对地板的指向为Z轴指向、X轴满足右手定则建立航天器本体坐标系SXYZ(S)，将地心赤道惯性坐标系记为Ox0y0z0(S0)；(2)获取太阳光线与卫星轨道平面法线的夹角θ并判断，如果45°≤θ≤135°，则转入步骤(3)，如果θ>135°，则转入步骤(4)，如果θ<45°，则转入步骤(5)；(3)控制卫星太阳帆板转动，且卫星太阳帆板转动角速度与卫星当前在轨道平面内的角速度大小相同、方向相反；(4)调整卫星太阳帆板转轴方向直至与卫星当前轨道平面平行，然后调整卫星太阳帆板法线方向直至与卫星轨道平面法向方向相同；(5)调整卫星太阳帆板转轴方向直至与卫星当前轨道面平行，然后调整卫星太阳帆板法线与卫星轨道平面法向方向相反。所述的步骤(3)中控制卫星太阳帆板转动的过程中需要保持卫星太阳帆板法线、太阳光线在卫星轨道平面上的投影夹角小于容许误差角，其中，容许误差角大于0°。所述的步骤(4)中调整卫星太阳帆板转轴方向并与卫星当前轨道平面平行的方法为：调整卫星姿态偏航角ψ为90°。所述的步骤(4)中调整卫星太阳帆板法线方向直至与卫星轨道平面法向方向相同的方法为：控制卫星帆板正向转动90°，其中，卫星帆板正向为绕卫星本体系Y轴右手螺旋方向。所述的步骤(5)中调整卫星太阳帆板转轴方向直至与卫星轨道面平行的方法为：调整卫星姿态偏航角ψ为90°。所述的步骤(5)中调整卫星太阳帆板法线与卫星轨道平面法向方向相反的方法为：控制卫星太阳帆板反向转动90°，其中，卫星帆板反向为绕卫星本体系Y轴左手螺旋方向。所述的保持卫星太阳帆板法线、太阳光线在卫星轨道平面上的投影夹角小于容许误差角的方法为：利用卫星太阳帆板上的太阳敏感器对卫星太阳帆板的转动进行反馈控制。所述的容许误差角的取值范围为[0，0.1°]。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法通过使用单自由度太阳帆板驱动机构完成了在大倾角轨道的卫星太阳帆板的对日指向问题，与现有的二维指向控制方法相比，具有硬件机构实现简单，稳定性高的优点；(2)本专利技术方法克服了现有技术为满足太阳光线垂直于卫星太阳帆板要求，卫星偏航角一直受控并存在太阳帆板转速较大，不利于卫星有效载荷的稳定性的缺陷，通过根据太阳光线矢量方向与卫星轨道法线方向的角度θ设计三种太阳帆板指向调节模式满足了大倾角轨道卫星太阳帆板的指向需求，具有载荷稳定性高，操作简单的优点；(3)本专利技术方法与现有技术相比，单自由度太阳帆板对日定向、偏航角姿态调整都是现有成熟技术，同时模式二和模式三的控制角度参数都固定，具有技术实现难度低，可利用工程价值高的优点。附图说明图1为本专利技术方法中使用的坐标系示意图；图2为本专利技术方法中模式一控制中太阳帆板转动轴一天内随时间变化的转动角度；图3为本专利技术方法中进行模式一控制时太阳光线在卫星本体系中的分量图；图4为本专利技术方法考虑摄动情况下使用模式一控制时一年内太阳帆板法线方向和太阳光线的夹角变化，其中，“实线-”为轨道倾角为70°的变化，“虚线·”为轨道倾角为20°的变化；图5为本专利技术方法连续控制一年太阳帆板法线方向与太阳光线的夹角变化。具体实施方式本专利技术针对现有技术的不足，提出一种简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法，根据太阳光线矢量方向与卫星轨道法线方向的角度θ设计三种太阳帆板指向调节模式来满足大倾角轨道卫星太阳帆板的指向需求，下面结合附图对本专利技术做进一步说明。如图1所示为本专利技术方法所需要用到的坐标系，包括(1)地心赤道惯性坐标系Ox0y0z0(S0)；(2)航天器质心轨道坐标系Sx2y2z2(S2)：原点在卫星的质心上，轴z2由地心指向卫星的质心方向，轴x2在轨道面内指向航天器运行方向，轴y2垂直于轨道平面，与卫星的角动量矢量方向相反；(3)航天器本体坐标系SXYZ(S)：原点在卫星的质心上，X轴自原点指向卫星东面板，Y轴自原点指向卫星南面板，即为太阳帆板的转动轴，Z轴自原点指向卫星对地板，为卫星的偏航轴。然后令初始时刻卫星的偏航角为0，此时本体坐标系S与航天器质心轨道坐标系S2重合。由于卫星需保持对地板始终指向地球的三轴稳定工作状态，因此对卫星的姿态控制只能对卫星的偏航轴(即本体坐标系的Z轴)进行旋转，设偏航角度为ψ，则质心轨道坐标系Sx2y2z2(S2)和本体坐标系SXYZ(S)的坐标关系为S'＝Az(ψ)S2' (1)其中，Az为卫星以本体坐标系的Z轴进行旋转的方向余弦矩阵，Ay为卫星以本体坐标系Y轴进行旋转的方向余弦矩阵，Ax为卫星以本体坐标系X轴进行旋转的方向余弦矩阵，S'为太阳光线在本体坐标系中单位矢量，S2'为太阳光线在质心轨道坐标系中单位矢量；S0'为太阳光线在地心赤道惯性坐标系中的单位矢量，将其转化到卫星质心轨道坐标系中，得到太阳光线在航天器质心轨道坐标系中的单位矢量S2'为S2'＝Az(90°)Ay(-90°)Az(u)Ax(i)Az(Ω)S0' (2)其中，u为地心赤道惯性坐标系下卫星纬度幅角，i为地心本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法，其特征在于包括如下步骤：(1)以卫星质心为原点、卫星轨道内卫星运行方向为x2轴指向、地心指向卫星质心方向为z2轴指向、y2满足右手定则建立卫星质心轨道坐标系Sx2y2z2(S2)，以卫星质心为原点、原点指向卫星南面板的指向为Y轴指向、原点指向卫星对地板的指向为Z轴指向、X轴满足右手定则建立航天器本体坐标系SXYZ(S)，将地心赤道惯性坐标系记为Ox0y0z0(S0)；(2)获取太阳光线与卫星轨道平面法线的夹角θ并判断，如果45°≤θ≤135°，则转入步骤(3)，如果θ>135°，则转入步骤(4)，如果θ<45°，则转入步骤(5)；(3)控制卫星太阳帆板转动，且卫星太阳帆板转动角速度与卫星当前在轨道平面内的角速度大小相同、方向相反；(4)调整卫星太阳帆板转轴方向直至与卫星当前轨道平面平行，然后调整卫星太阳帆板法线方向直至与卫星轨道平面法向方向相同；(5)调整卫星太阳帆板转轴方向直至与卫星当前轨道面平行，然后调整卫星太阳帆板法线与卫星轨道平面法向方向相反。
【技术特征摘要】
1.一种简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法，其特征在于包括如下步骤：(1)以卫星质心为原点、卫星轨道内卫星运行方向为x2轴指向、地心指向卫星质心方向为z2轴指向、y2满足右手定则建立卫星质心轨道坐标系Sx2y2z2(S2)，以卫星质心为原点、原点指向卫星南面板的指向为Y轴指向、原点指向卫星对地板的指向为Z轴指向、X轴满足右手定则建立航天器本体坐标系SXYZ(S)，将地心赤道惯性坐标系记为Ox0y0z0(S0)；(2)获取太阳光线与卫星轨道平面法线的夹角θ并判断，如果45°≤θ≤135°，则转入步骤(3)，如果θ>135°，则转入步骤(4)，如果θ<45°，则转入步骤(5)；(3)控制卫星太阳帆板转动，且卫星太阳帆板转动角速度与卫星当前在轨道平面内的角速度大小相同、方向相反；(4)调整卫星太阳帆板转轴方向直至与卫星当前轨道平面平行，然后调整卫星太阳帆板法线方向直至与卫星轨道平面法向方向相同；(5)调整卫星太阳帆板转轴方向直至与卫星当前轨道面平行，然后调整卫星太阳帆板法线与卫星轨道平面法向方向相反。2.根据权利要求1所述的一种简单姿态控制下的大倾角轨道卫星太阳帆板指向方法，其特征在于：所述的步骤(3)中控制卫星太阳帆板转动的过程中需要保持卫星太阳帆板法线、太阳光线在卫星轨道平面上的投影夹角小于容许误差角，其中，容许误差角大于0°。3.根据权利要求1或2所述的一种简单姿态控制下...
【专利技术属性】
技术研发人员：经姚翔，赵义平，李峰，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。