一種適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，該方法包含：建立傾斜軌道衛(wèi)星與太陽位置關系的數(shù)學模型，定量描述太陽相對衛(wèi)星的運動規(guī)律；根據(jù)數(shù)學模型定義帆板驅(qū)動誤差作為帆板驅(qū)動控制的輸入；確定帆板捕獲控制的規(guī)律，使帆板找到太陽；確定帆板跟蹤控制的規(guī)律，跟蹤太陽實現(xiàn)帆板對日定向。本發(fā)明帆板驅(qū)動規(guī)律與衛(wèi)星偏航機動相結(jié)合，解決了傾斜軌道衛(wèi)星使用一維帆板驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)對日定向的問題；針對衛(wèi)星正飛和倒飛兩種情況，能夠自主根據(jù)太陽運動方向進行判斷和調(diào)整，實現(xiàn)了在不同初始條件下太陽帆板對太陽的正確捕獲；針對衛(wèi)星正飛和倒飛兩種情況，實現(xiàn)了帆板對日定向的正向和反向驅(qū)動控制。
【專利說明】一種適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星太陽帆板驅(qū)動控制方法，具體涉及一種適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法。
【背景技術】
[0002]傾斜軌道衛(wèi)星受到的太陽光照射情況較復雜，太陽會從軌道面的一側(cè)連續(xù)地運動到另一側(cè)，太陽光與軌道面夾角(太陽高度角β)會在-90°至90°之間連續(xù)地變化。即太陽光相對衛(wèi)星星體的運動為二維運動，既有由于軌道運動造成的繞俯仰軸的旋轉(zhuǎn)運動，也有由于軌道進動造成的繞偏航軸的旋轉(zhuǎn)運動。為保證傾斜軌道衛(wèi)星獲取太陽能源，帆板必須始終對日定向。對于二維運動，必須使用二維驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動帆板實現(xiàn)二維跟蹤運動，但是二維驅(qū)動機構(gòu)技術尚未成熟，且成本較高，不利于目前衛(wèi)星的裝備。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明提供一種適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，配合整星偏航機動實現(xiàn)對傾斜軌道上的帆板對日定向。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，其特點是，該方法包含:
建立傾斜軌道衛(wèi)星與太陽位置關系的數(shù)學模型，定量描述太陽相對衛(wèi)星的運動規(guī)律； 根據(jù)數(shù)學模型定義帆板驅(qū)動誤差作為帆板驅(qū)動控制的輸入；
確定帆板捕獲控制的規(guī)律，使帆板找到太陽；
確定帆板跟蹤控制的規(guī)律，跟蹤太陽實現(xiàn)帆板對日定向。
[0005]上述傾斜軌道衛(wèi)星與太陽位置關系的數(shù)學模型包含:
定義衛(wèi)星處于一個軌道坐標系XOZ中，包含Xo軸、Yo軸和Zo軸，衛(wèi)星軌道系原點為Oo，衛(wèi)星位于該坐標系的原點；
定義另一個三維坐標系稱為衛(wèi)星本體坐標系，衛(wèi)星本體坐標系原點為Ob, Ob與衛(wèi)星軌道系原點Oo重合,衛(wèi)星本體坐標系包含Xb軸、Yb軸和Zb軸；
衛(wèi)星正飛情況下，衛(wèi)星本體坐標系與軌道坐標系重合；衛(wèi)星倒飛情況下，衛(wèi)星本體坐標系與軌道坐標系關于軌道坐標系的偏航軸Zo軸和衛(wèi)星本體坐標系的偏航軸Zb軸反對稱；定義一個從衛(wèi)星指向太陽的矢量為太陽矢量Vsun ；
太陽矢量在軌道坐標系XOZ平面的投影Vsp在XOZ平面內(nèi)的運動代表著太陽相對衛(wèi)星的運動；
投影Vsp在軌道坐標系XOZ面內(nèi)的運動為以軌道角速度wO繞軌道坐標系Y軸正方向的勻速圓周運動；
投影Vsp與軌道坐標系X軸的夾角稱為軌道系太陽高低角定義帆板法線矢量為垂直帆板電池面指向太陽的矢量Vfb ;帆板法線矢量Vfb的運動代表了帆板的運動；
帆板安裝在衛(wèi)星兩側(cè)，帆板轉(zhuǎn)軸方向與衛(wèi)星軌道系的Y軸平行，帆板法線矢量的運動為繞衛(wèi)星本體坐標系的Y軸的勻速圓周運動，運動速度的方向和大小由帆板捕獲和驅(qū)動控制規(guī)律確定。
[0006]上述定義帆板驅(qū)動誤差包含:
當帆板法線矢量與軌道坐標系X軸正方向重合時對應的帆板轉(zhuǎn)角為0°，則該位置稱為帆板驅(qū)動零位；在衛(wèi)星帆板到達驅(qū)動零位時，帆板法線與衛(wèi)星軌道系的+X軸重合，此時刻的軌道系太陽高低角4的大小表征了帆板法線矢量與太陽投影矢量Vsp的夾角，該夾角定義為帆板驅(qū)動誤差Θ ；
其中，驅(qū)動誤差Θ的極性定義為:
當Vspz < O,即太陽從-Z方向照射星體時，Θ <0;
當Vspz≥O,即太陽從+Z方向照射星體時，Θ≥O;
Vspz為太陽矢量在軌道坐標系XOZ平面的投影Vsp在軌道坐標系Z軸的投影。
[0007]上述帆板捕獲控制規(guī)律包含:
控制帆板的運動使帆板法線矢量Vfb與太陽投影矢量Vsp重合；
根據(jù)帆板驅(qū)動誤差Θ的大小和方向，以及太陽相對衛(wèi)星的運動方向確定出帆板的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角速度ω fs，從而求得捕獲時間T ；
當捕獲開始時，帆板以0.6° /s的速度以正確的捕獲方向轉(zhuǎn)動，同時進行帆板捕獲計時，計時時間達到T時停止，則捕獲成功。
[0008]上述捕獲方向的確定包含:
若帆板驅(qū)動誤差Θ≥0，則反向捕獲；反之，則正向捕獲。
[0009]捕獲角速度確定方法包含:
【權利要求】
1.一種適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，其特征在于，該方法包含: 建立傾斜軌道衛(wèi)星與太陽位置關系的數(shù)學模型，定量描述太陽相對衛(wèi)星的運動規(guī)律； 根據(jù)數(shù)學模型定義帆板驅(qū)動誤差作為帆板驅(qū)動控制的輸入； 確定帆板捕獲控制的規(guī)律，使帆板找到太陽； 確定帆板跟蹤控制的規(guī)律，跟蹤太陽實現(xiàn)帆板對日定向。
2.如權利要求1所述的適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，其特征在于，所述傾斜軌道衛(wèi)星與太陽位置關系的數(shù)學模型包含: 定義衛(wèi)星處于一個軌道坐標系XOZ中，包含Xo軸、Yo軸和Zo軸，衛(wèi)星軌道系原點為Oo，衛(wèi)星位于該坐標系的原點； 定義另一個三維坐標系稱為衛(wèi)星本體坐標系，衛(wèi)星本體坐標系原點為Ob, Ob與衛(wèi)星軌道系原點Oo重合,衛(wèi)星本體坐標系包含Xb軸、Yb軸和Zb軸； 衛(wèi)星正飛情況下，衛(wèi)星本體坐標系與軌道坐標系重合；衛(wèi)星倒飛情況下，衛(wèi)星本體坐標系與軌道坐標系關于軌道坐標系的偏航軸Zo軸和衛(wèi)星本體坐標系的偏航軸Zb軸反對稱；定義一個從衛(wèi)星指向太陽的矢量為太陽矢量Vsun ； 太陽矢量在軌道坐標系XOZ平面的投影Vsp在XOZ平面內(nèi)的運動代表著太陽相對衛(wèi)星的運動； 投影Vsp在軌道坐標系XOZ面內(nèi)的運動為以軌道角速度wO繞軌道坐標系Y軸正方向的勻速圓周運動； 投影Vsp與軌道坐標系X軸的夾角稱為軌道系太陽高低角& ； 定義帆板法線矢量為垂直帆板電池面指向太陽的矢量Vfb ;帆板法線矢量Vfb的運動代表了帆板的運動； 帆板安裝在衛(wèi)星兩側(cè)，帆板轉(zhuǎn)軸方向與衛(wèi)星軌道系的Y軸平行，帆板法線矢量的運動為繞衛(wèi)星本體坐標系的Y軸的勻速圓周運動，運動速度的方向和大小由帆板捕獲和驅(qū)動控制規(guī)律確定。
3.如權利要求2所述的適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，其特征在于，所述定義帆板驅(qū)動誤差包含: 當帆板法線矢量與軌道坐標系X軸正方向重合時對應的帆板轉(zhuǎn)角為0°，則該位置稱為帆板驅(qū)動零位；在衛(wèi)星帆板到達驅(qū)動零位時，帆板法線與衛(wèi)星軌道系的+X軸重合，此時刻的軌道系太陽高低角&的大小表征了帆板法線矢量與太陽投影矢量Vsp的夾角，該夾角定義為帆板驅(qū)動誤差Θ ； 其中，驅(qū)動誤差Θ的極性定義為: 當Vspz < O,即太陽從-Z方向照射星體時，Θ <0; 當Vspz彡O,即太陽從+Z方向照射星體時，Θ彡O; Vspz為太陽矢量在軌道坐標系XOZ平面的投影Vsp在軌道坐標系Z軸的投影。
4.如權利要求2所述的適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，其特征在于，所述帆板捕獲控制規(guī)律包含: 控制帆板的運動使帆板法線矢量Vfb與太陽投影矢量Vsp重合； 根據(jù)帆板驅(qū)動誤差Θ的大小和方向，以及太陽相對衛(wèi)星的運動方向確定出帆板的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角速度Ofs，從而求得捕獲時間T ； 當捕獲開始時，帆板以0.6° /s的速度以正確的捕獲方向轉(zhuǎn)動，同時進行帆板捕獲計時，計時時間達到T時停止，則捕獲成功。
5.如權利要求4所述的適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，其特征在于，所述捕獲方向的確定包含: 若帆板驅(qū)動誤差Θ彡0，則反向捕獲；反之，則正向捕獲； 捕獲角速度確定方法包含:
[I 正向捕「I 0°偏置 定義:c.= I和FlagVGl=-
辦 [-1 反向捕1-1 180°偏置 其中，Cpon為捕獲方向標志，F(xiàn)lagVel為衛(wèi)星偏置標志； 則捕獲角速度《fs按照式(I)計算:
= \sign(Cpm) ■ Oif - sign{Flag Vel").1 (I) 則捕獲時間T按照式(2)計算: T= θ /ω?3(2) 其中= 0.&; / J為帆板捕獲角速度，為衛(wèi)星軌道角速度。
6.如權利要求4所述的適應傾斜軌道衛(wèi)星的帆板雙向控制方法，其特征在于，所述帆板跟蹤控制的規(guī)律包含: 判斷出帆板驅(qū)動誤差和極性，然后帆板快速捕獲太陽，使帆板法線與太陽投影矢量重合；捕獲成功后，帆板進入跟蹤模式，將根據(jù)驅(qū)動誤差調(diào)整帆板轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對日定向跟蹤； 帆板驅(qū)動誤差Θ >0時，帆板轉(zhuǎn)動角速度在軌道角速度的基礎上減速；帆板驅(qū)動誤差Θ〈O時，帆板轉(zhuǎn)動角速度在軌道角速度的基礎上加速；帆板驅(qū)動誤差Θ =0時，則不進行加速或減速，帆板以軌道角速度轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】G05B13/04GK104181941SQ201410441924
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權日:2014年9月2日
【發(fā)明者】豐保民, 朱虹, 葉立軍, 萬海音, 陳占勝, 徐峰, 修艷紅, 冒海飛 申請人:上海新躍儀表廠