CN104181941B - 一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，该方法包含：建立倾斜轨道卫星与太阳位置关系的数学模型，定量描述太阳相对卫星的运动规律；根据数学模型定义帆板驱动误差作为帆板驱动控制的输入；确定帆板捕获控制的规律，使帆板找到太阳；确定帆板跟踪控制的规律，跟踪太阳实现帆板对日定向。本发明帆板驱动规律与卫星偏航机动相结合，解决了倾斜轨道卫星使用一维帆板驱动机构实现对日定向的问题；针对卫星正飞和倒飞两种情况，能够自主根据太阳运动方向进行判断和调整，实现了在不同初始条件下太阳帆板对太阳的正确捕获；针对卫星正飞和倒飞两种情况，实现了帆板对日定向的正向和反向驱动控制。

Description

一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法

技术领域

本发明涉及一种卫星太阳帆板驱动控制方法，具体涉及一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法。

背景技术

倾斜轨道卫星受到的太阳光照射情况较复杂，太阳会从轨道面的一侧连续地运动到另一侧，太阳光与轨道面夹角（太阳高度角β）会在-90°至90°之间连续地变化。即太阳光相对卫星星体的运动为二维运动，既有由于轨道运动造成的绕俯仰轴的旋转运动，也有由于轨道进动造成的绕偏航轴的旋转运动。为保证倾斜轨道卫星获取太阳能源，帆板必须始终对日定向。对于二维运动，必须使用二维驱动机构驱动帆板实现二维跟踪运动，但是二维驱动机构技术尚未成熟，且成本较高，不利于目前卫星的装备。

发明内容

本发明提供一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，配合整星偏航机动实现对倾斜轨道上的帆板对日定向。

为实现上述目的，本发明提供一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，其特点是，该方法包含：

建立倾斜轨道卫星与太阳位置关系的数学模型，定量描述太阳相对卫星的运动规律；

根据数学模型定义帆板驱动误差作为帆板驱动控制的输入；

确定帆板捕获控制的规律，使帆板找到太阳；

确定帆板跟踪控制的规律，跟踪太阳实现帆板对日定向。

上述倾斜轨道卫星与太阳位置关系的数学模型包含：

定义卫星处于一个轨道坐标系XOZ中，包含Xo轴、Yo轴和Zo轴，卫星轨道系原点为Oo，卫星位于该坐标系的原点；

定义另一个三维坐标系称为卫星本体坐标系，卫星本体坐标系原点为Ob，Ob与卫星轨道系原点Oo重合，卫星本体坐标系包含Xb轴、Yb轴和Zb轴；

卫星正飞情况下，卫星本体坐标系与轨道坐标系重合；卫星倒飞情况下，卫星本体坐标系与轨道坐标系关于轨道坐标系的偏航轴Zo轴和卫星本体坐标系的偏航轴Zb轴反对称；

定义一个从卫星指向太阳的矢量为太阳矢量Vsun；

太阳矢量在轨道坐标系XOZ平面的投影Vsp在XOZ平面内的运动代表着太阳相对卫星的运动；

投影Vsp在轨道坐标系XOZ面内的运动为以轨道角速度w0绕轨道坐标系Y轴正方向的匀速圆周运动；

投影Vsp与轨道坐标系X轴的夹角称为轨道系太阳高低角；

定义帆板法线矢量为垂直帆板电池面指向太阳的矢量Vfb；帆板法线矢量Vfb的运动代表了帆板的运动；

帆板安装在卫星两侧，帆板转轴方向与卫星轨道系的Y轴平行，帆板法线矢量的运动为绕卫星本体坐标系的Y轴的匀速圆周运动，运动速度的方向和大小由帆板捕获和驱动控制规律确定。

上述定义帆板驱动误差包含：

当帆板法线矢量与轨道坐标系X轴正方向重合时对应的帆板转角为0°，则该位置称为帆板驱动零位；在卫星帆板到达驱动零位时，帆板法线与卫星轨道系的+X轴重合，此时刻的轨道系太阳高低角的大小表征了帆板法线矢量与太阳投影矢量Vsp的夹角，该夹角定义为帆板驱动误差θ；

其中，驱动误差θ的极性定义为：

当Vspz＜0，即太阳从-Z方向照射星体时，θ＜0；

当Vspz≥0，即太阳从+Z方向照射星体时，θ≥0；

Vspz为太阳矢量在轨道坐标系XOZ平面的投影Vsp在轨道坐标系Z轴的投影。

上述帆板捕获控制规律包含：

控制帆板的运动使帆板法线矢量Vfb与太阳投影矢量Vsp重合；

根据帆板驱动误差θ的大小和方向，以及太阳相对卫星的运动方向确定出帆板的转动方向和转动角速度ωfs，从而求得捕获时间T；

当捕获开始时，帆板以0.6°/s的速度以正确的捕获方向转动，同时进行帆板捕获计时，计时时间达到T时停止，则捕获成功。

上述捕获方向的确定包含：

若帆板驱动误差θ≥0，则反向捕获；反之，则正向捕获。

捕获角速度确定方法包含：

定义：和

其中，Cpon为捕获方向标志，FlagVel为卫星偏置标志；

则捕获角速度ω_fs按照式（1）计算：

（1）

则捕获时间T按照式（2）计算：

T=θ/ω_fs （2）

其中为帆板捕获角速度，为卫星轨道角速度。

上述帆板跟踪控制的规律包含：

判断出帆板驱动误差和极性，然后帆板快速捕获太阳，使帆板法线与太阳投影矢量重合；捕获成功后，帆板进入跟踪模式，将根据驱动误差调整帆板转速，实现对日定向跟踪；

帆板驱动误差θ>0时，帆板转动角速度在轨道角速度的基础上减速；帆板驱动误差θ<0时，帆板转动角速度在轨道角速度的基础上加速；帆板驱动误差θ=0时，则不进行加速或减速，帆板以轨道角速度转动。

本发明适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法和现有技术相比，其优点在于，本发明帆板驱动规律与卫星偏航机动相结合，解决了倾斜轨道卫星使用一维帆板驱动机构实现对日定向的问题；针对卫星正飞和倒飞两种情况，能够自主根据太阳运动方向进行判断和调整，实现了在不同初始条件下太阳帆板对太阳的正确捕获；针对卫星正飞和倒飞两种情况，实现了帆板对日定向的正向和反向驱动控制。

附图说明

图1为本发明适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法的流程图；

图2为本发明中倾斜轨道卫星与太阳位置关系的数学模型示意图；

图3为本发明中卫星正飞时帆板捕获控制和帆板驱动控制的示意图；

图4为本发明中卫星倒飞时帆板捕获控制和帆板驱动控制的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，帆板对日定向控制的目的即是使帆板驱动误差满足指标要求，即帆板法线与太阳矢量的夹角满足指标要求，实现帆板电池面始终面向太阳。基于数学模型（太阳运动规律）和控制指标要求，才可以开始对帆板对日定向控制规律进行设计。

如图1所示，适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法包含以下步骤：

步骤1、建立倾斜轨道卫星与太阳位置关系的数学模型，定量描述太阳相对卫星的运动规律。

如图2所示，定义卫星处于一个三维坐标系，即轨道坐标系中，包含Xo轴（X轴）、Yo轴（Y轴）和Zo轴（Z轴），原点为Oo，卫星位于该坐标系的原点。定义另一个三维坐标系称为卫星本体坐标系，卫星本体坐标系原点为Ob（与轨道坐标系原点Oo重合），包含Xb轴、Yb轴和Zb轴。卫星正飞情况下，卫星本体坐标系与轨道坐标系重合；卫星倒飞情况下，卫星本体坐标系与轨道坐标系关于其各自偏航轴Zo轴（Zb轴）反对称（如图2中的Xb’、Yb’、Zb’）。太阳矢量Vsun定义为一个从卫星指向太阳的矢量。太阳矢量在轨道坐标系XOZ平面的投影Vsp（=[Vspx Vspy Vspz]）在XOZ平面内的运动代表着太阳相对卫星的运动。矢量Vsp在轨道坐标系XOZ面内的运动为以轨道角速度w0绕轨道坐标系Y轴正方向的匀速圆周运动。Vsp与X轴的夹角称为轨道系太阳高低角，则。图1中的矢量Vfb为帆板法线矢量，帆板法线矢量为垂直帆板电池面指向太阳的矢量。Vfb的运动代表了帆板的运动。帆板安装在卫星两侧，帆板转轴方向与卫星轨道系的Y轴平行，因此，帆板法线矢量的运动为绕卫星本体坐标系的Y轴的匀速圆周运动，运动速度的方向和大小由帆板捕获和驱动控制规律确定。

步骤2、根据数学模型定义帆板驱动误差作为帆板驱动控制的输入。

当帆板法线矢量与轨道坐标系X轴正方向重合时对应的帆板转角为0°，则该位置称为帆板驱动零位。在帆板到达驱动零位时，帆板法线与卫星轨道系的+X轴重合，此时刻的轨道系太阳高低角的大小表征了帆板法线矢量与太阳投影矢量Vsp的夹角，该夹角定义为帆板驱动误差θ。

其中，帆板驱动误差θ的极性定义为：

当Vspz＜0，即太阳从-Z方向照射星体时，θ＜0；

当Vspz≥0，即太阳从+Z方向照射星体时，θ≥0；

Vspz为太阳矢量在轨道坐标系XOZ平面的投影Vsp在轨道坐标系Z轴的投影。

如图3和图4所示，然后，帆板对日定向控制要实现两个目标：首先找到太阳，然后跟踪太阳实现帆板对日定向。与之对应的，控制规律设计分为两个步骤：捕获控制规律设计和驱动规律设计。

步骤3、确定帆板捕获控制的规律，找到太阳位置。

帆板捕获控制是指控制帆板的运动使帆板法线矢量Vfb与太阳投影矢量Vsp重合。根据帆板驱动误差θ的大小和方向，以及太阳相对卫星的运动方向可以确定出帆板的转动方向和转动角速度ω_fs，从而求得捕获时间T。当捕获开始时，帆板以0.6°/s的速度以正确的方向转动，同时进行帆板捕获计时，计时时间达到T时停止，则捕获成功。

捕获方向的确定：

若帆板驱动误差θ≥0，则反向捕获；反之，则正向捕获。

由于当卫星正飞（偏航姿态为0°）和卫星倒飞（偏航姿态为180°）两种情况下，捕获速度不相同。可以定义变量捕获方向标志Cpon和卫星偏置标志FlagVel来统一帆板捕获速度计算公式的表达。变量Cpon和FlagVel的具体取值规则如下：

当帆板要进行正向捕获时，Cpon=1；

当帆板要进行反向捕获时，Cpon=-1。

当卫星当前偏航姿态为0°时，FlagVel=1;

当卫星当前偏航姿态为180°时，FlagVel=-1。

即定义：

和

根据上述变量定义和取值规则，则可以按照统一的公式（1）计算帆板捕获角速度ω_fs：

（1）

则捕获时间按照式（2）计算：

T=θ/ω_fs （2）

其中为帆板捕获角速度，为卫星轨道角速度。说明：公式中的和的具体数值并不是本专利的发明特征，可根据不同卫星和不同指标要求而取不同的数值。

步骤4、确定帆板跟踪控制的规律，跟踪太阳实现帆板对日定向。

帆板驱动是指控制帆板以合适的角速度运动，使帆板法线矢量Vfb始终能与太阳投影矢量Vsp重合，并且Vfb与Vsp的夹角满足指标要求。帆板驱动控制规律为帆板以轨道角速度为基准角速度按照正确的方向进行转动，进行对日定向跟踪。卫星正飞（偏航姿态为0°）时正向跟踪（帆板正向转动），卫星倒飞（偏航姿态为180°）时反向跟踪（帆板反向转动）。帆板驱动控制规律为：驱动误差θ>0时，帆板转动角速度在轨道角速度的基础上减速（速度降低）；驱动误差θ<0时，帆板转动角速度在轨道角速度的基础上加速（速度升高）；驱动误差θ=0时，则不进行加速或减速，帆板以轨道角速度转动。

上述两种情况下，控制方法的具体实施包含：首先判断出帆板驱动误差和极性，然后帆板快速捕获太阳，使帆板法线与太阳投影矢量重合。捕获成功后，帆板进入跟踪模式，将根据驱动误差调整帆板转速，实现对日定向跟踪。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，其特征在于，该方法包含：

建立倾斜轨道卫星与太阳位置关系的数学模型，定量描述太阳相对卫星的运动规律；

根据数学模型定义帆板驱动误差作为帆板驱动控制的输入；

确定帆板捕获控制的规律，使帆板找到太阳；

确定帆板跟踪控制的规律，跟踪太阳实现帆板对日定向；

所述帆板捕获的方向的确定包含：

所述的捕获方向标志C_pon和卫星偏置标志FlagVel定义如下：

定义：和

则捕获角速度ω_fs按照式（1）计算：

（1）

则捕获时间T按照式（2）计算：

T=θ/ω_fs （2）

其中为帆板捕获角速度，为卫星轨道角速度，θ为帆板的驱动误差，若帆板驱动误差θ≥0，则反向捕获；反之，则正向捕获。

2.如权利要求1所述的适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，其特征在于，所述倾斜轨道卫星与太阳位置关系的数学模型包含：

定义卫星处于一个轨道坐标系XOZ中，包含Xo轴、Yo轴和Zo轴，卫星轨道系原点为Oo，卫星位于该坐标系的原点；

定义另一个三维坐标系称为卫星本体坐标系，卫星本体坐标系原点为Ob，Ob与卫星轨道系原点Oo重合，卫星本体坐标系包含Xb轴、Yb轴和Zb轴；

卫星正飞情况下，卫星本体坐标系与轨道坐标系重合；卫星倒飞情况下，卫星本体坐标系与轨道坐标系关于轨道坐标系的偏航轴Zo轴和卫星本体坐标系的偏航轴Zb轴反对称；

定义一个从卫星指向太阳的矢量为太阳矢量Vsun；

太阳矢量在轨道坐标系XOZ平面的投影Vsp在XOZ平面内的运动代表着太阳相对卫星的运动；

投影Vsp在轨道坐标系XOZ面内的运动为以轨道角速度w0绕轨道坐标系Y轴正方向的匀速圆周运动；

投影Vsp与轨道坐标系X轴的夹角称为轨道系太阳高低角；

定义帆板法线矢量为垂直帆板电池面指向太阳的矢量Vfb；帆板法线矢量Vfb的运动代表了帆板的运动；

帆板安装在卫星两侧，帆板转轴方向与卫星轨道系的Y轴平行，帆板法线矢量的运动为绕卫星本体坐标系的Y轴的匀速圆周运动，运动速度的方向和大小由帆板捕获和驱动控制规律确定。

3.如权利要求2所述的适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，其特征在于，所述定义帆板驱动误差包含：

当帆板法线矢量与轨道坐标系X轴正方向重合时对应的帆板转角为0°，则该位置称为帆板驱动零位；在卫星帆板到达驱动零位时，帆板法线与卫星轨道系的+X轴重合，此时刻的轨道系太阳高低角的大小表征了帆板法线矢量与太阳投影矢量Vsp的夹角，该夹角定义为帆板驱动误差θ；

其中，驱动误差θ的极性定义为：

当Vspz＜0，即太阳从-Z方向照射星体时，θ＜0；

当Vspz≥0，即太阳从+Z方向照射星体时，θ≥0；

Vspz为太阳矢量在轨道坐标系XOZ平面的投影Vsp在轨道坐标系Z轴的投影。

4.如权利要求2所述的适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，其特征在于，所述帆板捕获控制规律包含：

控制帆板的运动使帆板法线矢量Vfb与太阳投影矢量Vsp重合；

根据帆板驱动误差θ的大小和方向，以及太阳相对卫星的运动方向确定出帆板的转动方向和转动角速度ω_fs，从而求得捕获时间T；

当捕获开始时，帆板以0.6°/s的速度以正确的捕获方向转动，同时进行帆板捕获计时，计时时间达到T时停止，则捕获成功。

5.如权利要求4所述的适应倾斜轨道卫星的帆板双向控制方法，其特征在于，所述帆板跟踪控制的规律包含：

判断出帆板驱动误差和极性，然后帆板快速捕获太阳，使帆板法线与太阳投影矢量重合；捕获成功后，帆板进入跟踪模式，将根据驱动误差调整帆板转速，实现对日定向跟踪；

帆板驱动误差θ>0时，帆板转动角速度在轨道角速度的基础上减速；帆板驱动误差θ<0时，帆板转动角速度在轨道角速度的基础上加速；帆板驱动误差θ=0时，则不进行加速或减速，帆板以轨道角速度转动。