CN111216923B - 一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，属于航天器在轨运行自主管理及诊断技术领域；步骤一、测量得到月球‑卫星‑太阳角、从卫星上看太阳的视半径和从卫星上看月球的视半径；步骤二、分别计算卫星在月影本影区、卫星在月影半影区和卫星在月影伪本影区情况下的月影遮挡比率；步骤三、计算月影期间蓄电池放电安时数；步骤四、测量蓄电池额定容量CP；将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断；根据判断结果，不做动作；或减少卫星放电容量；本发明通过计算的结果可以定量的预估出月影对卫星能源供应的影响。通过实际在轨数据验证算法的有效性、准确性。

Description

一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法
技术领域
本发明属于航天器在轨运行自主管理及诊断技术领域，涉及一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法。
背景技术
月影是卫星在轨管理的重要事件，随着卫星供电设计冗余度的减少，月影对于卫星能源供应的影响越来越大。特别是在同步轨道的卫星地影季期间，长时间月影会引起蓄电池放电过多，如果蓄电池储电不足，会导致蓄电池过放电，甚至影响整星供电安全。月影与地影的不同之处在于月影的半影时间很长，在月影期间，太阳帆板有一定输出电流。月影对卫星的能源的影响有五个方面因素决定：一、月影的时长；二、月球遮挡太阳的比率，即月影遮挡比率；三、卫星负载功率；四、太阳帆板光照期输出功率；五、蓄电池的容量。随着卫星商业化的发展，蓄电池冗余度逐渐减少。特别是在地影与月影相继发生时，月影对卫星的能源供应影响最大。
通过月影遮挡比率计算可以预先估算出月影对卫星供电影响。可以根据估算结果，进行应对处理，保障卫星能源供应。随着卫星在轨管理的精细化不断提高，计算月影遮挡比率越来越具有十分重要的意义。
目前卫星月影计算中只计算月影的本影、半影的时间，没有对月影遮挡比率进行计算，这样就无法准确预判月影对卫星能源供应的影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，通过计算的结果可以定量的预估出月影对卫星能源供应的影响。通过实际在轨数据验证算法的有效性、准确性。
本发明解决技术的方案是：
一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，包括如下步骤：
步骤一、测量得到月球-卫星-太阳角θms、从卫星上看太阳的视半径αs和从卫星上看月球的视半径αm；
步骤二、分别计算卫星在月影本影区、卫星在月影半影区和卫星在月影伪本影区情况下的月影遮挡比率η；
步骤三、计算月影期间蓄电池放电安时数CD；
步骤四、测量蓄电池额定容量CP；将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断；根据判断结果，不做动作；或减少卫星放电容量。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，所述步骤一中，引入弧度计算，将月球-卫星-太阳角θms、从卫星上看太阳的视半径αs和从卫星上看月球的视半径αm转换为可视化圆的线段长度。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，所述步骤二中，
卫星在月影本影区的判断条件为：
|αm-αs|≥θms且αs≤αm
卫星在月影半影区的判断条件为：
αm+αs≥θms≥|αm-αs|
卫星在月影伪本影区的判断条件为：
|αm-αs|≥θms且αs＞αm。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，所述步骤二中，当卫星在月影本影区时，月影遮挡比率η＝1。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，所述步骤二中，当卫星在月影半影区时，月球的可视化圆与太阳的可视化圆重叠分别相交于A、B两点；月影遮挡比率η＝(αm·αm·φ1)+(αs·αs·φ2)-αm·sin(φ1)·θms/(π·αs·αs)；其中，φ1为可视化圆交点B-月球可视化圆圆心Om-可视化圆交点A的夹角；φ2为可视化圆交点B-太阳可视化圆圆心Os-可视化圆交点A的夹角。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，所述步骤二中，当卫星在月影伪本影区时，月影遮挡比率η＝αm·αm/(αs·αs)。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，所述步骤三中，蓄电池放电安时数CD的计算方法为：
CD＝∫t(I1-I0(1-η))·V母线·V蓄电池/μPCU
式中，I1为卫星负载电流；
I0为月影前卫星的太阳帆板输出电流；
V母线为卫星负载母线电压；
V蓄电池为卫星蓄电池月影期间平均电压；
μPCU为PCU功率转换效率。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断的方法为：将CD与0.8CP对比；当CD≤0.8CP时，不做处理；当CD＞0.8CP时，减少卫星放电容量，直至CD降至0.8CP。
在上述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，所述减少卫星放电容量的方法为关闭相应加热器载荷和转发器载荷，减少卫星用电负荷，实现减少卫星放电容量。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用了可视化圆的概念，将计算问题从三维计算简化成两维计算，提高了计算效率，实现了快速计算方法；
(2)本发明采用了将视半径、月球-卫星-太阳夹角等角度量转换为可视化圆的线段长度来计算遮挡面积，简化了计算，实现了月影遮挡比率计算；
(3)本发明采用了放电电流积分方法，实现了月影对航天器供电影响评估算法。
附图说明
图1为本发明卫星自主管理流程示意图；
图2为本发明卫星位于月影本影区可视化圆示意图；
图3为本发明卫星位于月影半影区可视化圆示意图；
图4为本发明卫星位于月影伪本影区可视化圆示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提出一种基于可视化圆的月影遮挡比率计算方法，通过计算的结果可以定量的预估出月影对卫星能源供应的影响。通过实际在轨数据验证算法的有效性、准确性。
如图1所示，一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，包括如下步骤：
步骤一、月影遮挡比率算法应用可视化圆相互遮挡来计算，将问题从三维计算简化成两维计算。引入弧度计算，将视半径、月球-卫星-太阳夹角等角度量转换为可视化圆的线段长度来计算遮挡面积。提出的算法将太阳与月球看成两个可视化圆的相互遮挡面积来进行计算月影遮挡比率。太阳、月亮的位置关系和可视化圆的大小由卫星轨道、太阳、月球的星历可以得到。月影遮挡比率η定义为太阳可视化圆被月球可视化圆遮挡的面积与太阳可视化圆的面积比。测量得到月球-卫星-太阳角θms、从卫星上看太阳的视半径αs和从卫星上看月球的视半径αm；根据卫星的轨道，可以得到卫星与太阳、月球的位置关系，月球-卫星-太阳角θms、从卫星上看太阳的视半径αs和从卫星上看月球的视半径αm，它们可以由卫星轨道和太阳、月球的星历预先得到
步骤二、根据太阳、月球和卫星的相对位置不同，月影分为三种情况：一、卫星在月影本影区，从卫星上看，月球完全遮挡住太阳，月影遮挡比率为1，如图2所示；二、卫星在月影半影区，月球部分遮挡太阳，月影遮挡比率在0与1之间，如图3所示；三、卫星在月影伪本影区，从卫星上看，月球可视化圆在太阳可视化圆内，月影遮挡比率在0与1之间，如图4所示。分别计算卫星在月影本影区、卫星在月影半影区和卫星在月影伪本影区情况下的月影遮挡比率η；首先，卫星在月影本影区的判断条件为：
|αm-αs|≥θms且αs≤αm
当卫星在月影本影区时，月影遮挡比率η＝1。
卫星在月影半影区的判断条件为：
αm+αs≥θms≥|αm-αs|
当卫星在月影半影区时，月球的可视化圆与太阳的可视化圆重叠分别相交于A、B两点；月影遮挡比率η＝(αm·αm·φ1)+(αs·αs·φ2)-αm·sin(φ1)·θms/(π·αs·αs)；其中，φ1为可视化圆交点B-月球可视化圆圆心Om-可视化圆交点A的夹角；φ2为可视化圆交点B-太阳可视化圆圆心Os-可视化圆交点A的夹角。
卫星在月影伪本影区的判断条件为：
|αm-αs|≥θms且αs＞αm。
当卫星在月影伪本影区时，月影遮挡比率η＝αm·αm/(αs·αs)。
步骤三、计算月影期间蓄电池放电安时数CD；蓄电池放电安时数CD的计算方法为：
CD＝∫t(I1-I0(1-η))·V母线·V蓄电池/μPCU
式中，I1为卫星负载电流；通过卫星负载电流遥测平均值得出；
I0为月影前卫星的太阳帆板输出电流；通过遥测可以得到；
V母线为卫星负载母线电压；在轨期间基本恒定，通过遥测可以得到；
V蓄电池为卫星蓄电池月影期间平均电压；通过地影期数据可以估算出；
μPCU为PCU功率转换效率。在0.90至0.95之间，根据实际情况选取。
步骤四、测量蓄电池额定容量CP；将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断；根据判断结果，不做动作；或减少卫星放电容量。将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断的方法为：将CD与0.8CP对比；当CD≤0.8CP时，不做处理；当CD＞0.8CP时，减少卫星放电容量，直至CD降至0.8CP。减少卫星放电容量的方法为关闭相应加热器载荷和转发器载荷，减少卫星用电负荷，实现减少卫星放电容量。
实施例
步骤一、测量得到月球-卫星-太阳角θms、从卫星上看太阳的视半径αs和从卫星上看月球的视半径αm；
步骤二、卫星在月影半影区，计算月影遮挡比率η；下面通过某颗卫星的在轨数据对算法进行计算及符合，对基于可视化圆月影遮挡比率计算的诊断方法进行验证。
卫星太阳帆板输出电流的大小与太阳帆板接收的太阳光的功率成正比，当月球遮挡住太阳时，月影遮挡比率与卫星能够接收到的功率成反比，可以用太阳帆板的输出电流I计算出卫星实际的月影遮挡比率η实际。计算公式如下，
η实际＝1-I/I0
其中I0为太阳帆板在进入月影前的输出电流，I为太阳帆板实际输出电流。太阳帆板的输出电流可以通过卫星遥测得到。下面是某颗卫星2016年3月9日月影期间太阳帆板输出电流和计算出的实际月影遮挡比率和通过轨道数据按照上面提出的基于可视化圆的月影遮挡比率计算方法计算出的月影比率。如表1所示；
表1
Figure BDA0002364813060000061
Figure BDA0002364813060000071
Figure BDA0002364813060000081
Figure BDA0002364813060000091
通过上面计算结果，两种方法计算出的月影遮挡比率基本一致，说明月影遮挡比率计算方法与实际在轨情况相符。利用月影遮挡比率计算结果，可以估算出对卫星能源供应的影响，即蓄电池放电容量。影响的大小由放电的安时数决定。
步骤三、计算月影期间蓄电池放电安时数CD；蓄电池放电安时数CD的计算方法为：
CD＝∫t(I1-I0(1-η))·V母线·V蓄电池/μPCU
式中，I1为卫星负载电流；
I0为月影前卫星的太阳帆板输出电流；
V母线为卫星负载母线电压；
V蓄电池为卫星蓄电池月影期间平均电压；
μPCU为PCU功率转换效率。
该卫星蓄电池放电容量有遥测下传，3月9日月影期间卫星蓄电池的放电容量最大达到15.35Ah，通过卫星遥测可以得到。月影的遮挡比率可以通过表1得到，每1分钟有一个计算值，通过公式积分计算可以预报出卫星月影期蓄电池放电量为15.12Ah。与实际情况相近，通过月影遮挡比率算法计算结果可以预估月影对卫星供电影响。
步骤四、测量蓄电池额定容量CP；将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断；根据判断结果，不做动作；或减少卫星放电容量。将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断的方法为：将CD与0.8CP对比；当CD≤0.8CP时，不做处理；当CD＞0.8CP时，减少卫星放电容量，直至CD降至0.8CP。减少卫星放电容量的方法为关闭相应加热器载荷和转发器载荷，减少卫星用电负荷，实现减少卫星放电容量。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、测量得到月球-卫星-太阳角θms、从卫星上看太阳的视半径αs和从卫星上看月球的视半径αm；引入弧度计算，将月球-卫星-太阳角θms、从卫星上看太阳的视半径αs和从卫星上看月球的视半径αm转换为可视化圆的线段长度；
步骤二、分别计算卫星在月影本影区、卫星在月影半影区和卫星在月影伪本影区情况下的月影遮挡比率η；
步骤三、计算月影期间蓄电池放电安时数CD；
步骤四、测量蓄电池额定容量CP；将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断；根据判断结果，不做动作；或减少卫星放电容量。
2.根据权利要求1所述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：所述步骤二中，
卫星在月影本影区的判断条件为：
|αm-αs|≥θms且αs≤αm
卫星在月影半影区的判断条件为：
αm+αs≥θms≥|αm-αs|
卫星在月影伪本影区的判断条件为：
|αm-αs|≥θms且αs＞αm。
3.根据权利要求2所述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：所述步骤二中，当卫星在月影本影区时，月影遮挡比率η＝1。
4.根据权利要求3所述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：所述步骤二中，当卫星在月影半影区时，月球的可视化圆与太阳的可视化圆重叠分别相交于A、B两点；月影遮挡比率η＝(αm·αm·φ1)+(αs·αs·φ2)-αm·sin(φ1)·θms/(π·αs·αs)；其中，φ1为可视化圆交点B-月球可视化圆圆心Om-可视化圆交点A的夹角；φ2为可视化圆交点B-太阳可视化圆圆心Os-可视化圆交点A的夹角。
5.根据权利要求4所述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：所述步骤二中，当卫星在月影伪本影区时，月影遮挡比率η＝αm·αm/(αs·αs)。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：所述步骤三中，蓄电池放电安时数CD的计算方法为：
CD＝∫t(I1-I0(1-η))·V母线·V蓄电池/μPCU
式中，I1为卫星负载电流；
I0为月影前卫星的太阳帆板输出电流；
V母线为卫星负载母线电压；
V蓄电池为卫星蓄电池月影期间平均电压；
μPCU为PCU功率转换效率。
7.根据权利要求6所述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：将蓄电池放电安时数CD与蓄电池额定容量CP进行对比判断的方法为：将CD与0.8CP对比；当CD≤0.8CP时，不做处理；当CD＞0.8CP时，减少卫星放电容量，直至CD降至0.8CP。
8.根据权利要求7所述的一种基于可视化圆的月影遮挡估计及卫星自主管理方法，其特征在于：所述减少卫星放电容量的方法为关闭相应加热器载荷和转发器载荷，减少卫星用电负荷，实现减少卫星放电容量。
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