專利名稱：基于任務(wù)規(guī)劃的星敏感器安裝角度確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種星敏感器安裝角度的確定方法。

背景技術(shù)：
為了滿足高分辨率、敏捷對地觀測的任務(wù)需求，不僅要求衛(wèi)星平臺具備大角度敏捷機(jī)動控制能力，還要求有效載荷在衛(wèi)星姿態(tài)偏離星下點(diǎn)45度范圍內(nèi)能夠正常工作，同時更要求衛(wèi)星在有效載荷對地工作期間能夠維持星體三軸姿態(tài)的高穩(wěn)定性。為此，一個必要條件是衛(wèi)星的三軸姿態(tài)需可測，以便準(zhǔn)確維持衛(wèi)星的目標(biāo)工作姿態(tài)。為了確定出衛(wèi)星建立目標(biāo)姿態(tài)后的三軸姿態(tài)變化并加以修正，一種常用的方式是利用陀螺積分給出衛(wèi)星的三軸姿態(tài)。但由于陀螺自身的測量誤差和初始積分時刻的三軸姿態(tài)確定誤差會隨積分時間累積而遞增，因而這種方式較適用于短期高精度的三軸姿態(tài)確定；另外一種方式是采用由多個星敏感器組成的星敏感器導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定姿，這種方式適用于長期高精度三軸姿態(tài)確定。但是，星敏感器在衛(wèi)星運(yùn)行過程中，有可能受到太陽光或地球反射光(地氣光)的影響，導(dǎo)致無法觀測到有效方位信息，從而使得衛(wèi)星姿態(tài)不可測。
傳統(tǒng)的對地觀測衛(wèi)星沒有大角度敏捷機(jī)動的任務(wù)需求，其對地觀測時工作方式較為簡單，姿態(tài)角度變化有限、有效載荷偏離星下點(diǎn)角度較小，因而影響星敏感器安裝角度設(shè)計(jì)的主要因素僅為衛(wèi)星星體對星敏感器視場的遮擋，其設(shè)計(jì)問題可以較為容易地解決。但采用這樣傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法將無法滿足新型衛(wèi)星在具備大角度敏捷機(jī)動后、多種工作姿態(tài)角度下的星敏感器工作需求。由于大角度敏捷機(jī)動的任務(wù)要求，星敏感器不僅將面對因有效載荷偏離星下點(diǎn)角度增大而變得更為苛刻的工作環(huán)境，還要面對因?qū)Φ赜^測任務(wù)改變而導(dǎo)致工作條件發(fā)生的巨大變化。按照星敏感器導(dǎo)航系統(tǒng)的工作要求，衛(wèi)星在對地觀測工作狀態(tài)下，需保證在目標(biāo)姿態(tài)下至少有2個星敏感器可以同時使用，才能直接觀測出衛(wèi)星的三軸姿態(tài)并獲得足夠的測量精度，而這一點(diǎn)采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往難以滿足。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種操作靈活、可以適用于多種工況的基于任務(wù)規(guī)劃的星敏感器安裝角度的確定方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于任務(wù)規(guī)劃的星敏感器安裝角度確定方法，步驟如下 (1)設(shè)定衛(wèi)星上安裝的n個星敏感器的初始安裝俯仰角Elevation(i)與初始安裝方位角Azimuth(i)，i＝1，2......，n； (2)分別求取各工況條件下各星敏感器的視場軸線與太陽的夾角Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor以及各星敏感器的視場軸線與地心方向的夾角Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor，計(jì)算公式為 Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor＝arccos[V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o，V(t)Sun_o] Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor＝arccos[V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o，V(t)Earth_o] 其中，t∈[t開始成像，t結(jié)束成像]為對地觀測的成像時間，V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o為t時刻第j個工況條件下，第i個星敏感器的視場軸線在軌道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，Roll(j)和Pitch(j)分別為第j個工況條件下所要求的衛(wèi)星滾動角和俯仰角，j＝1，2......，m，m為工況的數(shù)量，計(jì)算公式為 Abo(t)＝Ry(Pitch(j))Rx(Roll(j)) V(t)Sun_o＝Aoi(t)*VSun i，Aoi(t)為t時刻軌道坐標(biāo)系相對于J2000慣性系的單位矩陣，VSun_i為t時刻太陽矢量在J2000慣性系中的坐標(biāo)，VEarth_o＝
； (3)將步驟(2)得到的結(jié)果與星敏感器對太陽光的抑制角alpha和星敏感器對地氣光的抑制角beta進(jìn)行比較，若在任意t時刻、任意工況條件下至少有兩個星敏感器滿足條件 Angle(i，t，Roll(j)，Pith(j))Sun_to_Sensor＞alpha ， Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor＞beta 則轉(zhuǎn)步驟(6)，否則進(jìn)入步驟(4)； (4)改變星敏感器的初始安裝俯仰角Elevation(i)與初始安裝方位角Azimuth(i)，重復(fù)步驟(2)和(3)，若重復(fù)過程中始終無法找到滿足條件的星敏感器則轉(zhuǎn)步驟(5)； (5)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃，重新確定新任務(wù)條件下所要求的衛(wèi)星滾動角Roll(j)和俯仰角Pitch(j)，重復(fù)步驟(2)～(4)直至找到滿足條件的星敏感器并轉(zhuǎn)步驟(6)； (6)輸出當(dāng)前n個星敏感器的安裝俯仰角Elevation(i)與安裝方位角Azimuth(i)以及與當(dāng)前安裝位置對應(yīng)的各工況條件下衛(wèi)星的滾動角Roll(j)和俯仰角Pitch(j)。
所述步驟(5)中調(diào)整任務(wù)規(guī)劃的方法為在滿足條件cos(Roll(j))*cos(Pitch(j))＝cos(gama)的情況下，減小有效載荷偏離星下點(diǎn)的角度gama的幅值。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)本發(fā)明方法在星敏感器安裝角度的設(shè)計(jì)與分析過程中，以滿足任務(wù)規(guī)劃所得到的衛(wèi)星對地觀測工況姿態(tài)條件下星敏感器對日對地可見性為主要目標(biāo)，充分考慮多種工況姿態(tài)條件下星敏感器所受雜散光的影響，尤其適用于需要通過大角度機(jī)動來進(jìn)行對地觀測的高分辨率敏捷衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)工作； (2)本發(fā)明方法在盡可能多地滿足各種工況姿態(tài)的條件下，根據(jù)星敏感器安裝角度的設(shè)計(jì)結(jié)果，對于無法滿足要求的工況姿態(tài)，可以由設(shè)計(jì)者對任務(wù)規(guī)劃結(jié)果提出修改意見，有效避免衛(wèi)星進(jìn)入易受雜散光影響的對地觀測工況姿態(tài)，在提出衛(wèi)星設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的用戶單位和進(jìn)行衛(wèi)星設(shè)計(jì)的工程單位之間形成了良好的反饋機(jī)制，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段即可根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果對用戶的任務(wù)規(guī)劃結(jié)果提出意見、產(chǎn)生影響，避免衛(wèi)星在上天后進(jìn)入不合理的工況姿態(tài)，從而導(dǎo)致星敏感器導(dǎo)航系統(tǒng)失效的情況出現(xiàn)。



圖1為本發(fā)明方法的流程框圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中初始仿真曲線“星敏軸線與太陽光矢量夾角”示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中初始仿真曲線“星敏軸線與地心矢量夾角”示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中衛(wèi)星在軌工作姿態(tài)模式及其時間安排示意圖。

具體實(shí)施例方式 如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖，具體步驟詳述如下 (1)確定初始條件 根據(jù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的基本方案和任務(wù)規(guī)劃的工作要求，確定與星敏感器安裝角度設(shè)計(jì)相關(guān)的基本參數(shù)，包括衛(wèi)星軌道信息、太陽方位信息、衛(wèi)星星體對星敏感器安裝角度的約束、衛(wèi)星對地觀測時有效載荷偏離星下點(diǎn)的最大范圍、星敏感器性能指標(biāo)等，由此設(shè)定星敏感器安裝角度的初始參數(shù)值。上述參數(shù)確定方法如下 A.衛(wèi)星軌道信息包括衛(wèi)星軌道根數(shù)、在軌運(yùn)動方式，地影區(qū)、對日定向區(qū)、對地成像區(qū)的起始時刻與時間長短，由衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)人員提供，具體軌道計(jì)算方法可參見2003年哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社出版的由劉暾編著的《空間飛行器動力學(xué)》一書； B.太陽方位信息由天文參數(shù)計(jì)算，具體計(jì)算方法可參見2006年北京師范大學(xué)出版社出版的由劉林編著的《航天動力學(xué)引論》一書； C.衛(wèi)星星體對星敏感器安裝角度的約束條件由衛(wèi)星星體構(gòu)型設(shè)計(jì)人員提供。由于星敏感器在工作觀測過程中不允許出現(xiàn)視場被遮擋的情況，因此在設(shè)計(jì)其安裝角度時應(yīng)使其指向無衛(wèi)星星體遮擋的方向，特別是要避免被伸展開的太陽帆板所遮擋。該約束主要影響下面F項(xiàng)中星敏感器安裝俯仰角Elevation和方位角Azimuth的取值范圍； D.衛(wèi)星對地觀測時有效載荷偏離星下點(diǎn)的角度gama不能超過一定的最大取值范圍x，x由衛(wèi)星用戶單位提供，通常取gama＜x(x∈
°)； E.星敏感器性能指標(biāo)由星敏感器廠商提供，包括星敏感器對太陽光的抑制角alpha和對地氣光的抑制角beta； F.星敏感器安裝角度的初始參數(shù)值為進(jìn)行后續(xù)迭代計(jì)算的初始值，由俯仰角Elevation和方位角Azimuth兩個參量進(jìn)行描述。如C項(xiàng)所述，在對Elevation和Azimuth取初值時，要考慮衛(wèi)星星體對其的約束，星敏感器視場不能被星體所遮擋。
(2)根據(jù)所設(shè)定的對地成像段工況，計(jì)算各個時刻星敏感器軸線與太陽光和地心方向的夾角。
首先，設(shè)置坐標(biāo)系 A.J2000慣性坐標(biāo)系 坐標(biāo)系原點(diǎn)為地球質(zhì)心。x軸指向2000年1月1日12:00:00時刻的春分點(diǎn)、z軸沿該時刻的地球自轉(zhuǎn)軸，y軸與x、z軸右手正交。J2000慣性坐標(biāo)系以下標(biāo)“i”表示。
B.軌道坐標(biāo)系 坐標(biāo)系原點(diǎn)為衛(wèi)星質(zhì)心。衛(wèi)星軌道平面為坐標(biāo)平面，z軸由衛(wèi)星質(zhì)心指向地心(又稱當(dāng)?shù)卮咕€)，x軸在軌道平面內(nèi)與z軸垂直并指向衛(wèi)星速度方向，y軸與x、z軸右手正交且與軌道平面法線平行。軌道坐標(biāo)系以下標(biāo)“o”表示。
C.衛(wèi)星本體坐標(biāo)系 坐標(biāo)系原點(diǎn)為衛(wèi)星質(zhì)心。z軸沿衛(wèi)星相機(jī)軸線方向、x軸指向衛(wèi)星星體的正前方向，y軸與x、z軸右手正交。在衛(wèi)星保持相機(jī)軸線指向地心的嚴(yán)格對地定向姿態(tài)時，衛(wèi)星星體坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系完全重合。衛(wèi)星本體坐標(biāo)系以下標(biāo)“b”表示。
根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)確定的要求，衛(wèi)星在南(北)極對日定向期間僅要求有一個星敏感器能夠工作，在對地成像段則要求同時有兩個星敏感器能夠工作。顯然，前一個要求較易滿足，具體方法為在南(北)極對日定向期間，衛(wèi)星太陽帆板垂直于太陽光方向，帆板法線沿太陽光方向。由于星敏感器安裝后固聯(lián)于星體，也即固聯(lián)于太陽帆板，因此在對日定向時，只要使衛(wèi)星星體繞帆板法線轉(zhuǎn)動，直至找到某個姿態(tài)，在該姿態(tài)下衛(wèi)星的某一個星敏感器在整個南(北)極對日定向期間都不見太陽光或地氣光。由于衛(wèi)星星體是繞帆板法線轉(zhuǎn)動，則無論轉(zhuǎn)動到何種姿態(tài)，衛(wèi)星均為保持對日定向。在上述姿態(tài)下，衛(wèi)星在南(北)極對日定向期間能保證有一個星敏感器一直工作。因此，在設(shè)計(jì)過程中，僅分析衛(wèi)星在對地成像期間的星敏感器可見性，并據(jù)此設(shè)計(jì)星敏感器安裝角度。
在第一次迭代中，根據(jù)步驟(1)中F項(xiàng)中設(shè)定的初值，計(jì)算星敏感器軸線矢量在衛(wèi)星本體系中的坐標(biāo)。
在后續(xù)迭代過程中，則根據(jù)步驟(4)中設(shè)定的參數(shù)計(jì)算星敏感器軸線矢量在衛(wèi)星本體系中的坐標(biāo)。對于有n個星敏感器的衛(wèi)星，第i個星敏感器的軸線矢量在衛(wèi)星本體系中的坐標(biāo)為 “＊”為數(shù)乘符號。
衛(wèi)星的對地成像段工況定義為衛(wèi)星在對地觀測期間的姿態(tài)，由滾動角Roll與俯仰角Pitch兩個參量進(jìn)行描述。這兩個參數(shù)應(yīng)當(dāng)由衛(wèi)星用戶單位根據(jù)任務(wù)規(guī)劃結(jié)果計(jì)算所得，其與gama的關(guān)系見式(1.2)。根據(jù)步驟(1)中D項(xiàng)，該參數(shù)應(yīng)滿足 cos(alpha)*cos(beta)＝cos(gama) (1.2) cos(gama)≥cos(x) 設(shè)t為對星敏感器可見性進(jìn)行評估的時刻，t∈[t開始成像，t結(jié)束成像]，應(yīng)涵蓋整個對地成像區(qū)間所對應(yīng)的時間點(diǎn)。在評估時刻t，在設(shè)定工況(Roll，Pitch)的條件下，衛(wèi)星本體系相對于軌道系的單位姿態(tài)矩陣為 Abo(t)＝Ry(Pitch)Rx(Roll)(1.3) 其中 則第i個星敏感器軸線在軌道系中的坐標(biāo)為 設(shè)在評估時刻t，太陽矢量在J2000慣性系中的坐標(biāo)為VSun_i。由于太陽矢量慣性系中的坐標(biāo)的變化十分緩慢，可近似認(rèn)為常值。根據(jù)衛(wèi)星軌道信息，可求得在評估時刻t，軌道系相對于J2000慣性系的單位矩陣Aoi(t)。則太陽光在軌道系中的坐標(biāo)為 V(t)Sun_o＝Aoi(t)*VSun_i(1.6) 在軌道系中，地心矢量的坐標(biāo)為 VEarth_o＝
(1.7) 根據(jù)V(i)Sensor_o、V(t)Sun_o、VEarth_o，可求得在t時刻，第i個星敏感器軸線與太陽光的夾角以及與地心方向的夾角分別為 Angle(i，t)Sun_to_Sensor＝arccos[V(i，t)Sensor_o，V(t)Sun_o](1.8) Angle(i，t)Earth_to_Sensor＝arccos[V(i，t)Sensor_o，V(t)Earth_o] (3)重新設(shè)定成像段衛(wèi)星工況，并重新計(jì)算上述夾角。
步驟(2)中所有計(jì)算結(jié)果均為基于工況(Roll、Pitch)所得結(jié)論。由于要求衛(wèi)星有大角度敏捷機(jī)動能力，因此必須考慮衛(wèi)星對地成像段期間的多種工況條件，即衛(wèi)星對地觀測的多種姿態(tài)角度。該姿態(tài)參數(shù)由任務(wù)規(guī)劃結(jié)果給定。設(shè)不同的工況共有m個。
因此重新設(shè)置工況參數(shù)變量(Roll(j)、Pitch(j))的值，其中j∈[1，m]。該參數(shù)的變化仍由任務(wù)規(guī)劃結(jié)果計(jì)算所得，并需滿足式(1.2)。重復(fù)步驟(2)中的計(jì)算過程，求得在調(diào)整后的工況參數(shù)下，在t時刻，第i個星敏感器軸線與太陽光的夾角以及與地心方向的夾角分別為 Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor＝arccos[V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o，VSun_o] (1.9) Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor＝arccos[V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o，VEarth_o] 重復(fù)計(jì)算上述參數(shù)，直至遍歷了任務(wù)規(guī)劃所給定的所有工況所對應(yīng)的(Roll(j)、Pitch(j))值。
(4)根據(jù)上述結(jié)果，判斷星敏感器是否滿足可見性要求。
根據(jù)衛(wèi)星星敏感器系統(tǒng)在對地成像段的工作要求，在整個對地成像階段，在任何對地觀測姿態(tài)角度，即任何工況條件下都至少同時有2個星敏感器不受太陽光與地氣光的影響才能滿足可用性要求。在星敏感器可見性要求不能得到滿足時，衛(wèi)星星敏感器系統(tǒng)將失效。因此要求星敏感器光軸與太陽光矢量夾角大于星敏感器太陽抑制角，與星地矢量夾角大于星敏感器地氣光抑制角。如下式所示 Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor＞alpha(1.10) Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor＞beta 式中，i∈[1，n]，t∈[t開始成像，t結(jié)束成像]，j∈[1，m]，Roll(j)、Pitch(j)由步驟(2)、(3)確定。判斷在任意t時刻、任意工況，滿足上述條件的星敏感器是否至少有2個。若滿足上述星敏感器可見性要求，則進(jìn)入步驟(7)；否則，進(jìn)入步驟(5)。
(5)調(diào)整安裝角度值并重新分析星敏感器可見性 若星敏感器可見性未能滿足要求，則需要修改星敏感器的安裝角度值。
根據(jù)仿真結(jié)果，分析在當(dāng)前條件下，星敏感器可見性要求不能得到滿足的原因，對各星敏感器的安裝角度值不斷調(diào)整，即重新選取第i個星敏感器的Elevation(i)與Azimuth(i)值。
根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)，重新運(yùn)行步驟(2)～(4)，根據(jù)式(1.9)重新計(jì)算Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor和Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor的值，并根據(jù)式(1.10)對調(diào)整后的安裝角度值條件下的星敏感器可見性進(jìn)行判斷。
對步驟(2)～(4)反復(fù)迭代，直至式(1.10)的星敏感器可見性要求得到滿足為止。若滿足上述星敏感器可見性要求，則進(jìn)入步驟(7)；否則，進(jìn)入步驟(6)。
(6)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃結(jié)果并重新分析星敏感器可見性 若通過星敏感器安裝角度參數(shù)值的調(diào)整仍然無法滿足式的星敏感器可見性要求，則需要調(diào)整任務(wù)規(guī)劃所設(shè)定的各工況參數(shù)，即Roll(j)和Pitch(j)的取值。如式所示 cos(Roll(j))*cos(Pitch(j))＝cos(gama) 由于各工況參數(shù)的具體數(shù)據(jù)通常為用戶單位根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)際對地觀測的任務(wù)目標(biāo)確定，因此對該參數(shù)的調(diào)整實(shí)際上是對任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的修正。
對工況參數(shù)調(diào)整的方法是適當(dāng)減小有效載荷偏離星下點(diǎn)的角度gama的幅值。
造成星敏感器受太陽光或地氣光影響并失效的主要原因，通常都是由于衛(wèi)星在某些工況條件下，有效載荷偏離星下點(diǎn)角度gama的值過大。因此，適當(dāng)減小該工況的gama值即可以解決星敏感器的失效問題。
對工況參數(shù)調(diào)整的目標(biāo)是 A.首先，滿足盡可能多的工況條件下星敏感器的可見性不受影響； 在步驟(2)、(3)中，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃設(shè)定了多組工況參數(shù)值。在對其進(jìn)行調(diào)整時，為了盡量不影響衛(wèi)星執(zhí)行用戶給定的對地觀測任務(wù)，應(yīng)使需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的工況盡可能少，讓盡可能多的工況保留原參數(shù)不變。通常對于m個工況，不會出現(xiàn)所有工況都不滿足星敏感器可見性要求的情況。一般會有l(wèi)(l＜m)個工況，星敏感器可見性符合要求。因此，在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃調(diào)整時，首要原則是不調(diào)整這l個工況，僅調(diào)整剩下的m-l個工況。
B.其次，對于必須進(jìn)行調(diào)整的工況，工況參數(shù)調(diào)整的幅度應(yīng)盡可能小。
對于必須進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的m-l個工況，同樣地，為了盡量不影響衛(wèi)星執(zhí)行用戶給定的對地觀測任務(wù)，參數(shù)調(diào)整的幅度應(yīng)盡可能小，即gama值的變化幅度盡可能小，在滿足星敏感器可見性要求的前提下，保留盡可能大的對地觀測范圍。
對工況參數(shù)的調(diào)整也是一個迭代過程。不斷調(diào)整Roll(j)，Pitch(j)的值并對步驟(2)～(5)進(jìn)行迭代，利用式(1.9)計(jì)算Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor和Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor的值，并利用式(1.10)判斷星敏感器的可見性，直至星敏感器可見性要求得到滿足為止，進(jìn)入步驟(7)。
(7)輸出最終設(shè)計(jì)結(jié)果。
根據(jù)上述結(jié)果，輸出調(diào)整完畢的星敏感器安裝角度值 (Elevation(i) Azimuth(i)) i∈[1，n] 以及一組經(jīng)過調(diào)整的任務(wù)規(guī)劃參數(shù) (Roll(j)Pitch(j)) j∈[1，m] 此即為最終設(shè)計(jì)結(jié)果。星敏感器安裝角度值用于衛(wèi)星星體設(shè)計(jì)，任務(wù)規(guī)劃參數(shù)則相當(dāng)于向用戶提出的衛(wèi)星對地觀測約束條件。
實(shí)施例 考慮衛(wèi)星在對地成像區(qū)內(nèi)的不同對地觀測姿態(tài)，合理設(shè)計(jì)各個星敏感器的安裝角度，要求星敏感器系統(tǒng)在對地成像區(qū)內(nèi)，在任何工況姿態(tài)條件下，都可以保證至少2個星敏感器用來觀測三軸姿態(tài)。由于衛(wèi)星軌道信息、太陽方位信息、地球方位信息均為已知，此處對星敏感器安裝角度設(shè)計(jì)采用迭代求解的方法。首先根據(jù)衛(wèi)星星體構(gòu)型的基本形狀設(shè)計(jì)初始安裝角度值，然后結(jié)合任務(wù)規(guī)劃設(shè)置的多種對地觀測姿態(tài)條件，通過計(jì)算各星敏感器與太陽光矢量與地心矢量的夾角，對星敏感器的對日對地可見性進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上不斷對安裝角度值進(jìn)行調(diào)整，直至找出符合要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。
假設(shè)仿真起始時間為2010年03月22日00:45:55。
(1)確定初始條件。
A.衛(wèi)星軌道信息 衛(wèi)星運(yùn)行在691km軌道高處、降交點(diǎn)地方時為10:30的太陽同步軌道上運(yùn)行的CAST3000高精度成像敏捷衛(wèi)星，該星軌道周期約為98分鐘，一個軌道周期上的典型飛行任務(wù)如圖4所示，可分解為4個不同軌道區(qū)間 a.從圖4中D點(diǎn)到A點(diǎn)的北極對日定向區(qū)間，持續(xù)時間約為17分鐘。在此區(qū)間內(nèi)衛(wèi)星采用對日慣性定向姿態(tài)方式運(yùn)行，D點(diǎn)為衛(wèi)星在軌出地影點(diǎn)； b.從圖4中A點(diǎn)到B點(diǎn)的對地成像區(qū)間，持續(xù)時間約為24分鐘。在此區(qū)間衛(wèi)星采用一定的對地定向姿態(tài)方式運(yùn)行； c.從圖4中B點(diǎn)到C點(diǎn)的南極對日定向區(qū)間，持續(xù)時間約為23分鐘。在此區(qū)間內(nèi)衛(wèi)星采用對日慣性定向姿態(tài)方式運(yùn)行，C點(diǎn)為衛(wèi)星在軌進(jìn)地影點(diǎn)； d.從圖4中C點(diǎn)到D點(diǎn)的地影區(qū)間，持續(xù)時間約為34分鐘。在此區(qū)間衛(wèi)星采用嚴(yán)格對地定向姿態(tài)方式運(yùn)行。
B.太陽方向信息 在一個軌道周期之內(nèi)，太陽方向矢量在慣性系內(nèi)的坐標(biāo)可認(rèn)為保持不變，其坐標(biāo)值為 VSun_i＝
C.衛(wèi)星星體對星敏感器安裝角度的約束 衛(wèi)星星體采用類似于法國Pleiades衛(wèi)星的構(gòu)型，其基本結(jié)構(gòu)為衛(wèi)星星體為正六棱柱。相機(jī)沿星體縱軸(即衛(wèi)星本體系+Z軸)。正六棱柱的一條棱為衛(wèi)星前進(jìn)方向(即衛(wèi)星本體系+X軸)，三塊太陽帆板展開后分別指向衛(wèi)星的正前、右后與左后方，方位角分別為0°、120°、-120°，為了不被衛(wèi)星帆板遮擋，星敏感器應(yīng)布置在方位角(Azimuth)約為60°、180°與-60°、俯仰角(Elevation)為負(fù)值的方向。此時，星敏軸線與-z軸夾角為銳角。
D.衛(wèi)星對地觀測時有效載荷偏離星下點(diǎn)的角度 根據(jù)CAST3000衛(wèi)星的任務(wù)要求，確定衛(wèi)星進(jìn)行對地觀測時，有效載荷偏離星下點(diǎn)的最大角度為45°。即，gama≤45°。
E.星敏感器性能指標(biāo) 衛(wèi)星星敏感器系統(tǒng)由三個性能相同的星敏感器共同組成。星敏感器對太陽光的抑制角為alpha＝35°，對地氣光的抑制角為30°。由于地表與地心矢量夾角為68°，因此對星敏感器對地心矢量的夾角必須大于beta＝98°。
F.星敏安裝角度的初始參數(shù)值 星敏感器安裝角度的初始參數(shù)值為進(jìn)行后續(xù)迭代計(jì)算的初始值，由俯仰角Elevation和方位角Azimuth兩個參量進(jìn)行描述。設(shè)三個星敏感器的安裝角的初始值分別為 則第i個星敏感器軸線在本體系中的坐標(biāo)為 (2)根據(jù)所設(shè)定的對地成像段工況，計(jì)算各個時刻星敏感器軸線與太陽光和地心方向的夾角。
設(shè)定第一種對地成像工況姿態(tài)Roll＝0，Pitch＝0。這兩個參數(shù)確定了衛(wèi)星在對地成像段的工況姿態(tài)。此時，衛(wèi)星本體系相對于軌道系的單位姿態(tài)矩陣為 Abo＝Ry(Pitch)*Rx(Roll) Rx和Ry分別為繞衛(wèi)星x軸和y軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動的單位姿態(tài)矩陣。計(jì)算轉(zhuǎn)動完成后，在各個t時刻，各星敏光軸在軌道系中的矢量為 則太陽光在軌道系中的坐標(biāo)為 V(t)Sun_o＝Aoi(t)*VSun_i 在軌道系中，地心矢量的坐標(biāo)為 VEarth_o＝
根據(jù)V(i)Sensor_o、V(t)Sun_o、VEarth_o，可求得在t時刻，第i個星敏感器軸線與太陽光的夾角以及與地心方向的夾角分別為 Angle(i，t)Sun_to_Sensor＝arccos[V(i，t)Sensor_o，V(t)Sun_o] Angle(i，t)Earth_to_Sensor＝arccos[V(i，t)Sensor_o，V(t)Earth_o] 通過仿真，得到在整個軌道區(qū)間上，三個星敏感器軸線與太陽光方向的夾角變化曲線如圖2所示，與地心矢量的夾角變化曲線如圖3所示。
(3)重新設(shè)定成像段衛(wèi)星工況，重新計(jì)算上述夾角。
在此根據(jù)任務(wù)規(guī)劃的要求，同時考慮式(1.2)的約束條件，共設(shè)定如下9種對地成像區(qū)工況條件 重復(fù)步驟(2)，計(jì)算各種工況條件下，三個星敏感器軸線與太陽光方向與地心矢量方向的夾角。
(4)根據(jù)上述結(jié)果，判斷星敏感器是否滿足可見性要求。
經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，星敏感器在目前的安裝角度條件下，其各工況條件下的星敏感器可見性如下所示。根據(jù)星敏感器系統(tǒng)的性能，當(dāng)同一時刻有兩個星敏感器的可見性要求無法滿足時，星敏系統(tǒng)失效 (5)調(diào)整安裝角度值并重新分析星敏感器的可見性。
顯然，當(dāng)前的星敏感器安裝角度無法滿足星敏感器的可見性要求，需要對Azimuth和Elevation的值進(jìn)行調(diào)整；然后將調(diào)整后的Azimuth和Elevation值代入步驟(2)～(4)；根據(jù)式(1.9)重新計(jì)算Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor和Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor的值；并根據(jù)式(1.10)，對調(diào)整后的安裝角度值條件下的星敏可見性進(jìn)行判斷。
經(jīng)過對上述過程的迭代、反復(fù)地調(diào)整與仿真，最終獲得三個星敏感器的安裝角度的參數(shù)值分別為 由此，可計(jì)算出三個星敏感器軸線矢量在衛(wèi)星本體系中的坐標(biāo)分別為 V(1)Sensor_b＝
V(2)Sensor_b＝[-0.4677 0.5612 -0.0992] V(3)Sensor_b＝[-0.7986 -0.7890 -0.5807] 在當(dāng)前安裝角度條件下，其各工況下的星敏感器的可見性如下所示 (6)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃結(jié)果并重新分析星敏感器的可見性。
從上表可以看出，顯然，當(dāng)前的星敏感器安裝角度設(shè)計(jì)方案僅能滿足7種工況下的星敏感器可見性要求。由于經(jīng)過實(shí)驗(yàn)繼續(xù)調(diào)整安裝角度參數(shù)值已不能進(jìn)一步改善星敏感器的可見性，因此需要對任務(wù)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。由于不滿足要求的僅為工況2和工況6，因此僅需對這兩個工況的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可。調(diào)整后的工況條件參數(shù)如下所示 可見，工況2和工況6條件下，衛(wèi)星有效載荷偏離星下點(diǎn)的角度分別減少了8°和2°，調(diào)整為37°和43°。則此時星敏可見性如下所示 從上表中可以看出，此時在整個對地成像段都不會出現(xiàn)兩個星敏感器同時無法滿足星敏感器可見性要求的情況，因此星敏感器系統(tǒng)不會失效。
(7)輸出最終設(shè)計(jì)結(jié)果。
如步驟(1)～(6)所示的，通過對星敏感器安裝角度和任務(wù)規(guī)劃要求的雙雙調(diào)整，得到了符合星敏感器系統(tǒng)可見性要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。
星敏感器安裝角度的參數(shù)如下表所示。對任務(wù)規(guī)劃所給定的各工況條件，該結(jié)果所造成的影響最小。
調(diào)整后的工況約束條件如下所示。該約束條件將影響用戶給定的任務(wù)規(guī)劃結(jié)果。
也就是說采用上述方法，可以完成對星敏感器安裝角度的設(shè)計(jì)任務(wù)。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.基于任務(wù)規(guī)劃的星敏感器安裝角度確定方法，其特征在于步驟如下
(1)設(shè)定衛(wèi)星上安裝的n個星敏感器的初始安裝俯仰角Elevation(i)與初始安裝方位角Azimuth(i)，i＝1，2......，n；
(2)分別求取各工況條件下各星敏感器的視場軸線與太陽的夾角Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor以及各星敏感器的視場軸線與地心方向的夾角Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_ta_Sensor，計(jì)算公式為
Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor＝arccos[V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o，V(t)Sun_o]
Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor＝arccos[V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o，V(t)Earth_o]
其中，t∈[t開始成像，t結(jié)束成像]為對地觀測的成像時間，V(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sensor_o為t時刻第j個工況條件下，第i個星敏感器的視場軸線在軌道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，Roll(j)和Pitch(j)分別為第j個工況條件下所要求的衛(wèi)星滾動角和俯仰角，j＝1，2......，m，m為工況的數(shù)量，計(jì)算公式為
Abo(t)＝Ry(Pitch(j))Rx(Roll(j))
V(t)Sun_o＝Aoi(t)*VSun_i，Aoi(t)為t時刻軌道坐標(biāo)系相對于J2000慣性系的單位矩陣，VSun_i為t時刻太陽矢量在J2000慣性系中的坐標(biāo)，VEarth_o＝
；
(3)將步驟(2)得到的結(jié)果與星敏感器對太陽光的抑制角alpha和星敏感器對地氣光的抑制角beta進(jìn)行比較，若在任意t時刻、任意工況條件下至少有兩個星敏感器滿足條件
Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Sun_to_Sensor＞alpha
，
Angle(i，t，Roll(j)，Pitch(j))Earth_to_Sensor＞beta
則轉(zhuǎn)步驟(6)，否則進(jìn)入步驟(4)；
(4)改變星敏感器的初始安裝俯仰角Elevation(i)與初始安裝方位角Azimuth(i)，重復(fù)步驟(2)和(3)，若重復(fù)過程中始終無法找到滿足條件的星敏感器則轉(zhuǎn)步驟(5)；
(5)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃，重新確定新任務(wù)條件下所要求的衛(wèi)星滾動角Roll(j)和俯仰角Pitch(j)，重復(fù)步驟(2)～(4)直至找到滿足條件的星敏感器并轉(zhuǎn)步驟(6)；
(6)輸出當(dāng)前n個星敏感器的安裝俯仰角Elevation(i)與安裝方位角Azimuth(i)以及與當(dāng)前安裝位置對應(yīng)的各工況條件下衛(wèi)星的滾動角Roll(j)和俯仰角Pitch(j)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于任務(wù)規(guī)劃的星敏感器安裝角度確定方法，其特征在于所述步驟(5)中調(diào)整任務(wù)規(guī)劃的方法為在滿足條件cos(Roll(j))*cos(Pitch(j))＝cos(gama)的情況下，減小有效載荷偏離星下點(diǎn)的角度gama的幅值。
全文摘要
基于任務(wù)規(guī)劃的星敏感器安裝角度確定方法，以滿足衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間星敏感器對日對地可見性要求為目標(biāo)，根據(jù)軌道特性、星體構(gòu)型、星敏感器性能等參數(shù)，對星敏感器軸線對日對地夾角進(jìn)行計(jì)算和分析，重點(diǎn)考慮了任務(wù)規(guī)劃所確定的各種對地成像工況條件對星敏感器可見性的影響，通過不斷調(diào)整星敏感器的安裝角度和工況條件，確定出合適的星敏感器安裝角度。本發(fā)明方法充分考慮了多種工況姿態(tài)條件下星敏感器所受雜散光的影響，尤其適用于需要通過大角度機(jī)動來進(jìn)行對地觀測的高分辨率敏捷衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)工作，在提出衛(wèi)星設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的用戶單位和進(jìn)行衛(wèi)星設(shè)計(jì)的工程單位之間形成了良好的反饋機(jī)制。
文檔編號B64G1/24GK101758934SQ20101010335
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者閻誠, 黃琳, 楊芳 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司