專利名稱：一種衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法及其應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天器總體設(shè)計技術(shù)，具體為一種衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法及其應用。
背景技術(shù)：
對衛(wèi)星等采用太陽電池陣作為主要能源供給的航天器而言，太陽電池陣是其重要的組成部件，是航天器機動變軌、單機正常工作等所需能量的唯一來源。太陽電池陣可以將太陽光能轉(zhuǎn)化成電能，保證了航天器的日常運作。影響供能的因素主要有太陽電池片光電轉(zhuǎn)換效率、太陽光照角、太陽電池陣有效光照面積等。某衛(wèi)星入軌后發(fā)現(xiàn)+Y翼太陽電池陣充電陣電流明顯小于設(shè)計值，-Y翼太陽電池陣充電陣電流正常，通過故障樹分析并觀察電源分系統(tǒng)其它遙測參數(shù)，判斷是+Y翼太陽電 池陣部分被星體遮擋，即減小了 +Y翼太陽電池陣的有效光照面積。本發(fā)明應用之前，關(guān)于航天器在軌運行時太陽電池陣被星體遮擋的確定尚無理論研究。因此，必須提出一種太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法，用于定性和定量確定太陽電池陣被遮擋的情況，以滿足航天器總體設(shè)計的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了研究衛(wèi)星在軌運行時太陽電池陣被星體遮擋的情況，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星在軌運行時太陽電池陣被星體遮擋的確定方法，解決衛(wèi)星在軌運行時因太陽電池陣被遮擋而造成的充電陣電流異常等問題。為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法，其特征在于通過研究衛(wèi)星軌道太陽光照角年平均變化規(guī)律和衛(wèi)星在軌期間太陽仰角隨緯度變化情況，結(jié)合衛(wèi)星構(gòu)型特點，確定衛(wèi)星太陽電池陣(I)被星體(2)遮擋與否，計算遮擋面積大小，并確定遮擋面積在一軌和一年內(nèi)的變化趨勢，根據(jù)該結(jié)果解決衛(wèi)星在軌運行時因太陽電池陣被遮擋而造成的充電陣電流異常問題。對于衛(wèi)星運行一軌的周期內(nèi)，認為軌道光照角近似不變，在假設(shè)太陽電池陣嚴格對日定向的基礎(chǔ)上，分兩種情形進行情形一衛(wèi)星飛越地球兩極時，太陽電池陣面與星體對地面垂直，星體在電池陣上的投影為星體外形的一次投影。情形二 衛(wèi)星在升軌或降軌段光照區(qū)飛行時，太陽從斜下方或斜上方照射衛(wèi)星，星體在太陽電池陣上的投影隨時間變化且不規(guī)則。對此解決方法是將星體中可能遮擋到太陽電池陣的部分根據(jù)軌道光照角和太陽仰角進行二次投影，得到太陽電池陣上實際被遮擋部分的形狀。根據(jù)一軌內(nèi)衛(wèi)星太陽仰角的變化情況，仿照情形一和情形二太陽電池陣遮擋的研究，給出衛(wèi)星在一軌中太陽電池陣被遮擋的情形。
對于衛(wèi)星運行一年的周期內(nèi)，仿照所述的衛(wèi)星一軌內(nèi)太陽電池陣被遮擋形狀的確定方法，根據(jù)一年內(nèi)軌道光照角的變化，得到衛(wèi)星太陽電池陣被星體遮擋的最大面積在一年內(nèi)的變化情況。本發(fā)明提供一種上述方法的應用，即用于指導工程設(shè)計，在不改變原有太陽電池陣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化電池片布片方式來減少被遮擋帶來的影響的方案。所述優(yōu)化電池片布片方式，即根據(jù)太陽電池陣在軌被遮擋的確定結(jié)果，在不改變原有太陽電池陣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星太陽電池陣的電池片布片方向由沿著星體Y方向串接，調(diào)整為與Y方向垂直的方向，以減少遮擋帶來的影響。所述優(yōu)化電池片布片方式進一步包含將衛(wèi)星太陽電池陣的電池片由單結(jié)砷化鎵變?yōu)槿Y(jié)砷化鎵，提高轉(zhuǎn)換效率。所述優(yōu)化電池片布片方式還包含衛(wèi)星太陽電池陣的在常遮擋區(qū)域不貼片或布假片。 本發(fā)明帶來以下有益效果本發(fā)明提供的一種衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法，對衛(wèi)星一軌中的所有可能進行了研究，并且結(jié)合一年內(nèi)軌道光照角變化，得到太陽電池陣被遮擋最大面積隨時間的變化規(guī)律。通過科學的計算和可信的仿真，方法的結(jié)果與衛(wèi)星在軌的實際情況相符，合理而準確地解釋了充電陣電流異常問題，還解決了衛(wèi)星太陽電池片布片方式的優(yōu)化設(shè)計問題。因此，本發(fā)明對于衛(wèi)星等采用太陽電池陣作為主要能源供給的航天器提高構(gòu)型設(shè)計的合理性，提升太陽電池片的利用效率有良好效果，應用前景廣泛。


圖I為本發(fā)明太陽電池陣與星體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明衛(wèi)星的有效載荷艙和衛(wèi)星服務(wù)艙的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為一年內(nèi)軌道光照角變化曲線。圖4為衛(wèi)星太陽仰角隨緯度變化曲線。圖5為衛(wèi)星穿越北極時的狀態(tài)示意圖。圖6為衛(wèi)星穿越北極時太陽電池陣被遮擋關(guān)系示意圖。圖7為衛(wèi)星穿越南極時太陽電池陣被遮擋關(guān)系示意圖。圖8為衛(wèi)星在軌太陽仰角示意圖。圖9為衛(wèi)星剛進光照區(qū)時的飛行狀態(tài)示意圖。圖10為衛(wèi)星快進陰影區(qū)時的飛行狀態(tài)示意圖。圖11為太陽矢量與星體的投影關(guān)系示意圖。圖12為太陽矢量與+Y方向太陽電池陣的投影關(guān)系示意圖。圖13為+Y方向太陽電池陣被遮擋示意圖。圖14為+Y方向太陽電池陣一軌內(nèi)被遮擋變化趨勢圖。圖15為+Y方向太陽電池陣一年內(nèi)最大被遮擋面積隨時間變化曲線。圖16為太陽電池片改進前后的布片方式示意圖。圖I和2中標記分別為1.太陽電池陣、2.星體、3.衛(wèi)星服務(wù)艙、4.衛(wèi)星有效載荷艙。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。本發(fā)明結(jié)合某衛(wèi)星進行分析。衛(wèi)星為太陽同步軌道衛(wèi)星，采用三軸穩(wěn)定對地的姿態(tài)控制方式。衛(wèi)星軌道光照角年均變化如圖3所示，衛(wèi)星在軌期間太陽仰角隨緯度變化情況如圖4所示。衛(wèi)星太陽電池陣為雙翼構(gòu)形，每翼3 ±夾，每塊面積大小I. 7mX I. 4m (其中I. 4m為展開方向)。發(fā)射時兩翼太陽電池陣分別通過4個壓緊點收攏在星體的土Y側(cè)面，衛(wèi)星入軌后展開，通過連接架實現(xiàn)15°的偏置，并通過對日定向驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)對日定向跟蹤，如圖I所示。衛(wèi)星向陽面為-Y面，因此-Y翼電池陣不受星體遮擋，+Y翼電池陣被星體遮擋與否、遮擋面積大小與星體相對太陽電池陣的運動角度相關(guān)且不規(guī)則。 本發(fā)明假設(shè)太陽電池陣嚴格對日定向(即電池陣與太陽矢量方位關(guān)系確定)，分兩個特殊情形進行情形一衛(wèi)星剛出北極上空向南飛行時(見圖5)。此時太陽電池陣面與星體對地面垂直，根據(jù)衛(wèi)星的構(gòu)型特征，星體在電池陣上的投影為矩形。衛(wèi)星初始入軌時為冬季，軌道光照角約為37. 5°，遮擋關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，情形一條件下，+Y翼內(nèi)板被遮去約325mmX (1700-235) mm=0. 476m2的長條形的電池陣(其中，235mm是太陽電池陣超出星體側(cè)板的高度)。衛(wèi)星剛出南極上空向北飛行時，由于太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)在X方向中心安裝，所以該情形的遮擋關(guān)系與上述情形相同(見圖7)。情形二 衛(wèi)星在降軌段光照區(qū)飛行時，太陽從斜下方或斜上方照射衛(wèi)星，此時相機及有效載荷艙對太陽電池陣有遮擋。由于衛(wèi)星本體Z向尺寸大于X、Y向尺寸，此時遮擋情況較情形一惡劣。衛(wèi)星剛進光照區(qū)或快進陰影區(qū)時，遮擋最大，太陽仰角約在-32° (見圖
8、圖 9、圖 10)。此時星體在太陽電池陣上的投影為不規(guī)則圖形，需要將星體可能遮擋到太陽電池陣的部分根據(jù)軌道光照角和太陽仰角進行二次投影，得到太陽電池陣上實際遮擋部分形狀。首先將太陽矢量在XOZ面投影，根據(jù)衛(wèi)星的太陽仰角為-32°，得到遮擋太陽電池陣的星體的最大長度，然后將太陽矢量投影到帆板面，根據(jù)軌道光照角37. 5°，計算星體對帆板的最大遮擋長度及遮擋面積(見圖11、圖12、圖13)。圖13陰影部分為實際+Y帆板被遮擋的部分。經(jīng)計算得，此時被遮擋的電池陣面積約為O. 84m2。衛(wèi)星飛行一軌的周期內(nèi)，隨著衛(wèi)星太陽仰角的變化，仿照情形一和情形二帆板遮擋的分析，進一步研究了衛(wèi)星在一軌的帆板遮擋情況，共計11種狀態(tài)。衛(wèi)星初始入軌時+Y帆板在一軌內(nèi)光照期的遮擋變化趨勢如圖14所示。衛(wèi)星運行一年的周期內(nèi)，在上述基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道光照角隨季節(jié)變化的特性(如圖3所示)，一年內(nèi)帆板最大遮擋面積會有所變化春季時軌道光照角比冬季更大，遮擋情況會更惡劣；而6月初軌道光照角為最小，帆板遮擋面積為一年內(nèi)最小。根據(jù)一年內(nèi)軌道光照角的變化，用上述方法研究了一年內(nèi)帆板最大遮擋面積的變化情況，如圖15所示。
本發(fā)明的確定結(jié)果與衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)相符，證明發(fā)明科學合理、實用可行。本發(fā)明根據(jù)上述的結(jié)果，還對太陽電池片的布片方式提出了改進方案。某衛(wèi)星太陽電池陣的電池片布片方向是沿著星體Y方向串接，只要在Y方向上有遮擋將會影響整串電池片輸出功率。在不改變原有太陽電池陣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可將電池片布片方向調(diào)整為與Y方向垂直的方向以減少遮擋帶來的影響，可將電池片由單結(jié)砷化鎵變?yōu)槿Y(jié)砷化鎵提高轉(zhuǎn)換效率，并且在常遮擋區(qū)域不貼片或布假片(配重)減少成本，如圖16所示。綜上所述，本發(fā)明用于定性和定量確定太陽電池陣被遮擋的情況，解決衛(wèi)星在軌運行時因太陽電池陣被遮擋而造成的充電陣電流異常問題，還解決了衛(wèi)星太陽電池片布片方式的優(yōu)化設(shè)計問題。本發(fā)明對于衛(wèi)星等采用太陽電池陣作為主要能源供給的航天器提高構(gòu)型設(shè)計的合理性，提升太陽電池片的利用效率有良好效果。本發(fā)明的應用取得降低航天器電池片成本、提高航天器有效供電能力、提高航天器性能等有益效果，滿足航天器總體設(shè)計的需求。 盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法，其特征在于通過研究衛(wèi)星軌道太陽光照角年平均變化規(guī)律和衛(wèi)星在軌期間太陽仰角隨緯度變化情況，結(jié)合衛(wèi)星構(gòu)型特點，確定衛(wèi)星太陽電池陣(I)被星體(2)遮擋與否，計算遮擋面積大小，并得到遮擋面積在一軌和一年內(nèi)的變化趨勢，根據(jù)該結(jié)果解決衛(wèi)星在軌運行時因太陽電池陣被遮擋而造成的充電陣電流異常問題。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法，其特征在于對于衛(wèi)星運行一軌的周期內(nèi)，認為軌道光照角近似不變，在假設(shè)太陽電池陣(I)嚴格對日定向的基礎(chǔ)上，分兩種情形進行 情形一是衛(wèi)星飛越地球兩極時； 情形二是衛(wèi)星在升軌段或降軌段光照區(qū)飛行時；通過將星體(2)中可能遮擋到太陽電池陣(I)的部分根據(jù)軌道光照角和太陽仰角進行二次投影，分別得到太陽電池陣上實際被遮擋部分的形狀； 然后根據(jù)一軌內(nèi)衛(wèi)星太陽仰角的變化情況，得到一軌中太陽電池陣被遮擋形狀的變化情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法，其特征在于對于衛(wèi)星運行一年的周期內(nèi)，根據(jù)一年內(nèi)軌道光照角的變化，得到衛(wèi)星太陽電池陣被星體遮擋的最大面積在一年內(nèi)的變化情況。
4.一種權(quán)利要求1-3所述衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法的應用，其特征在于用于優(yōu)化電池片布片方式，即根據(jù)確定的太陽電池陣在軌被遮擋的結(jié)果，在不改變原有太陽電池陣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星太陽電池陣的電池片布片方向由沿著星體Y方向串接，調(diào)整為與Y方向垂直的方向，以減少遮擋帶來的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法的應用，其特征在于所述優(yōu)化電池片布片方式進一步包含將衛(wèi)星太陽電池陣的電池片由單結(jié)砷化鎵變?yōu)槿Y(jié)砷化鎵。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法的應用，其特征在于所述優(yōu)化電池片布片方式，還包含衛(wèi)星太陽電池陣的在常遮擋區(qū)域不貼片或布假片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星太陽電池陣在軌被遮擋的確定方法及其應用，通過研究衛(wèi)星軌道太陽光照角年平均變化規(guī)律和衛(wèi)星在軌期間太陽仰角隨緯度變化情況，結(jié)合衛(wèi)星構(gòu)型特點，確定衛(wèi)星太陽電池陣被星體遮擋與否，計算遮擋面積大小，并得到遮擋面積在一軌和一年內(nèi)的變化趨勢，根據(jù)該結(jié)果解決衛(wèi)星在軌運行時因太陽電池陣被遮擋而造成的充電陣電流異常問題，還解決了衛(wèi)星太陽電池片布片方式的優(yōu)化設(shè)計問題。本發(fā)明對于衛(wèi)星等采用太陽電池陣作為主要能源供給的航天器提高構(gòu)型設(shè)計的合理性，提升太陽電池片的利用效率有良好效果。本發(fā)明的應用取得降低航天器電池片成本、提高航天器有效供電能力、提高航天器性能等有益效果。
文檔編號B64G1/44GK102700728SQ20121019979
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者侯建文, 楊珺, 韓旭, 馬文佳 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所