一种用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法技术

本发明专利技术提供了一种用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法：(1)、根据卫星基本构型和太阳翼安装方向，确定惯性空间观测卫星本体坐标系和固定对日面；(2)、基于固定对日面，进行姿态控制算法设计，在保证观测所需的观测指向和观测覆盖的前提下，使单次观测过程中太阳矢量与帆板安装轴垂直面的夹角最小；(3)、基于姿态控制算法设计结果，针对太阳矢量的变化规律，设计太阳翼跟踪算法，使整星在观测全程中获得能量最大；(4)、判断观测全程卫星所获得的是否足能源设计要求，是，则结束，否则，重新执行步骤(1)～(4)。本发明专利技术可为卫星系统提供极好的太阳电池片受照条件，降低卫星能源系统设计难度，确保整星能源供应。

An Energy Guarantee Design Method for Inertial Space Observation Satellite

The invention provides an energy support design method for the inertial space observation satellite: (1). According to the basic configuration of the satellite and the installation direction of the solar wing, the inertial space observation satellite body coordinate system and the fixed-to-sun surface are determined; (2) Based on the fixed-to-sun surface, the attitude control algorithm is designed to ensure the observation direction and coverage required for observation, so as to make a single view. During the measurement, the angle between the solar vector and the vertical plane of the installation axis of the sailboard is the smallest; (3) Based on the design results of attitude control algorithm, a solar wing tracking algorithm is designed to maximize the energy of the whole satellite in the whole observation process; (4) To judge whether the energy obtained by the whole observation satellite is sufficient for the energy design requirements, it is the end, otherwise, the steps are re-executed. (1) ~ (4). The invention can provide excellent illumination conditions for solar cells for satellite system, reduce the design difficulty of satellite energy system, and ensure the whole satellite energy supply.

【技术实现步骤摘要】
一种用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法
本专利技术涉及一种用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，卫星姿态模式和单轴太阳翼控制方案设计，适用于各种轨道、多种惯性定向姿态需求的卫星总体设计，尤其适合对遍布宇宙空间的惯性天体源进行长期观测的空间天文卫星的总体设计。
技术介绍
卫星能源保障设计是指通过卫星总体方案设计(如轨道、工作模式等)为卫星电源系统提供良好的设计条件，多指在轨长期运行时太阳电池片的太阳光入射条件，应尽量保障太阳光与太阳电池片法线在一定角度范围内，且角度越小能源系统的效率越高。目前太阳电池片多是通过太阳翼安装于卫星上，也有部分卫星使用星体表面贴片的方式安装。太阳翼有刚性板式、刚性异形以及柔性等多种类型，驱动方式有固定翼、单轴驱动以及双轴驱动。其中控制较为简单、太阳电池片面积利用率较高、使用较灵活的是单轴驱动的刚性板式太阳翼，这也是目前国内外卫星最常用的太阳翼及其驱动控制形式。卫星总体的能源保障条件设计主要包括：卫星轨道设计、卫星姿态控制模式设计以及太阳翼安装和控制策略设计。通常几个方面高度耦合，而轨道设计和卫星姿态需求又与任务需求密切相关，通常是能源设计条件的决定性因素。卫星轨道主要包括：太阳同步轨道、地球同步轨道以及倾斜轨道等。为实现太阳帆板法线对太阳矢量的跟踪，目前绝大部分卫星在卫星姿态控制方式上采用对日定向、对地定向、动态偏航，在太阳翼安装和驱动上采用：偏置安装、单轴驱动、双轴驱动等方式。对于有地面指向需求的任务，如对地遥感、通信、导航等，影响卫星总体能源保障设计的主要是运行轨道的特性：1)使用太阳同步轨道的任务，主要是对地遥感任务。太阳同步轨道的太阳入射角变化范围很小(通常在10°左右)，根据降交点地方时的不同(正午轨道或晨昏轨道)，太阳入射角的平均值不同，选择太阳帆板保持在轨道面内或垂直轨道面进行实时太阳跟踪控制方式来确保能源，而卫星星体则保持对地定向三轴稳定姿态。2)使用地球同步轨道的任务，主要是通信和导航GEO任务。轨道太阳入射角最大不超过23.5°，太阳帆板垂直轨道面进行实时太阳跟踪控制来确保能源，卫星星体保持对地定向三轴稳定姿态。3)使用倾斜轨道的任务，如导航IGSO、MEO任务以及部分通信和对地遥感任务。轨道太阳入射角变化范围很大，通常采用卫星对地定向动态偏航跟踪+单轴帆板跟踪(IGSO、MEO)或卫星对地定向三轴稳定+双轴帆板跟踪的方式来确保能源。4)任务期间因轨道回访周期变化而导致太阳同步轨道降交点变化的(轨道倾角不变)，如分平时和战时轨道的太阳同步轨道对地遥感的任务。平时和战时轨道太阳入射角的均值会有一定变化，采用单轴帆板偏置安装+实时太阳帆板跟踪的方式来确保能源。对于无长期严格指向需求的任务，如飞船、深空探测等任务，通常在不同的任务期间采用对日定向、对地定向、对地偏航等不同的姿态控制方式来确保能源。上述这些卫星，要么指向需求相对固定(如对地)，太阳光与卫星的相对关系也相对稳定，要么则没有严格指向需求，因此通过对日定向三轴稳定、对地定向三轴稳定或是对地偏航等传统的姿态控制方式配合帆板单轴跟踪、帆板偏置安装等简单方式即可很好满足能源需求。但是上述方法的实现通常与卫星运行轨道特性密切相关，但对于以下情况，轨道太阳入射角出现较大变化，或是指向要求出现较大变化时，上述方式就无法再满足能源需求。1)指向目标遍布宇宙空间的任意惯性指向卫星。现今，卫星功能朝多样化的方向发展，出现了很多非固定姿态卫星。如对遍布全天球的宇宙天体进行长时间科学观测的各波段空间天文台(如硬X射线调制望远镜卫星)等。对于此类卫星，卫星姿态相对于轨道系的指向可能是任意状态，传统的设计方式已不适用，需要通过设计专门的惯性定向姿态模式和帆板控制策略来确保能源需求。2)同时具有多种不同惯性姿态指向控制模式的卫星。为实现卫星功能最大化，在同一颗卫星上实现多种不同的观测或工作需求也是卫星发展的一个方向。不同的观测或功能需求对卫星的姿态指向控制会出现不同的要求，如某些时候为固定指向、某些时候为慢速旋转指向等。不同的姿态指向控制模式下，太阳光与星体的相对关系的规律也会不同，传统的方式也无法满足能源需求，需要在总体设计时统筹设计。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于任意轨道惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，可为卫星系统提供极好的太阳电池片受照条件，降低卫星能源系统设计难度，确保整星能源供应。本专利技术的技术解决方案是：一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，该方法包括下列步骤：(1)、根据卫星基本构型和太阳翼安装方向，确定惯性空间观测卫星本体坐标系和固定对日面；(2)、基于步骤(1)所确定的固定对日面，进行姿态控制算法设计，在保证观测所需的观测指向和观测覆盖的前提下，使单次观测过程中太阳矢量与帆板安装轴垂直面的夹角最小；(3)、基于姿态控制算法设计结果，针对太阳矢量的变化规律，设计太阳翼跟踪算法，使整星在观测全程中获得能量最大；(4)、判断观测全程卫星所获得的是否足能源设计要求，是，则结束，否则，重新执行步骤(1)～(4)。所述惯性空间观测卫星，至少具备如下三种工作模式之一：针对特定惯性目标点长期观测的定点观测模式、针对区域目标覆盖的小天区观测模式，以及针对全天球覆盖观测的巡天观测模式。所述惯性空间观测卫星为单轴驱动太阳翼的惯性空间观测卫星。卫星本体坐标系的+X轴方向定义为观测载荷的指向，±Y轴方向定义为太阳翼安装轴、Z轴方向由右手定则确定。所述固定对日面在与太阳翼安装轴平行的星体平面中选取。当卫星工作在定点观测模式下时，所述姿态控制算法为惯性定向三轴稳定姿态控制算法，卫星本体坐标系三轴姿态为：为给定惯性目标点在地心惯性系下的单位矢量；为太阳矢量在地心惯性系下的单位矢量；当卫星工作在小天区观测模式下时，所述的姿态控制算法为惯性定向小角度旋转姿态控制算法，具体实现为：(s1)、利用待观测惯性空间区域中心点与太阳相对位置关系确定卫星扫描基准坐标系；(s2)、将待观测惯性空间区域的外切矩形天区作为卫星实际指向覆盖区域，所述外切矩形天区相互垂直的两条边分别与卫星扫描基准坐标系的Y轴和Z轴平行；(s3)、调整卫星姿态至基准姿态，在该基准姿态下，卫星本体坐标系的X轴与卫星扫描基准坐标系X轴在一条直线上，且方向一致，Y轴与卫星扫描基准坐标系Y轴平行且方向一致，Z轴与卫星扫描基准坐标系Z轴平行且方向一致；(s4)、通过整星绕卫星本体坐标系Y轴或Z轴的旋转，调整载荷观测主轴指向，对卫星实际指向扫描覆盖区域往复连续扫描，实现观测区域全覆盖。当卫星工作在巡天观测模式下时，所述的姿态控制算法为对日定向慢旋姿态控制，卫星本体坐标系三轴姿态为：为太阳矢量在惯性系下单位矢量；为地心矢量在惯性下的单位矢量；定义当太阳翼法线指向星体-Z轴时，±Y翼转角均为0°，令+Y翼控制转角为βy+，-Y翼控制转角为βy-，太阳翼跟踪算法是太阳翼转角单次观测期间保持不变，具体转角值算法为：当αi＜90°时，βy+＝-(90-αi)，βy-＝90-αi；当αi>90°时，βy+＝αi-90，βy-＝-(αi-90)；当αi＝90°时，βy+＝0，βy-＝0。其中，i为观测目标编号，αi为目标太阳夹角，为目标矢量与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于包括下列步骤：(1)、根据卫星基本构型和太阳翼安装方向，确定惯性空间观测卫星本体坐标系和固定对日面；(2)、基于步骤(1)所确定的固定对日面，进行姿态控制算法设计，在保证观测所需的观测指向和观测覆盖的前提下，使单次观测过程中太阳矢量与帆板安装轴垂直面的夹角最小；(3)、基于姿态控制算法设计结果，针对太阳矢量的变化规律，设计太阳翼跟踪算法，使整星在观测全程中获得能量最大；(4)、判断观测全程卫星所获得的是否足能源设计要求，是，则结束，否则，重新执行步骤(1)～(4)。

【技术特征摘要】
1.一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于包括下列步骤：(1)、根据卫星基本构型和太阳翼安装方向，确定惯性空间观测卫星本体坐标系和固定对日面；(2)、基于步骤(1)所确定的固定对日面，进行姿态控制算法设计，在保证观测所需的观测指向和观测覆盖的前提下，使单次观测过程中太阳矢量与帆板安装轴垂直面的夹角最小；(3)、基于姿态控制算法设计结果，针对太阳矢量的变化规律，设计太阳翼跟踪算法，使整星在观测全程中获得能量最大；(4)、判断观测全程卫星所获得的是否足能源设计要求，是，则结束，否则，重新执行步骤(1)～(4)。2.根据权利要求1所述的一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于所述惯性空间观测卫星，至少具备如下三种工作模式之一：针对特定惯性目标点长期观测的定点观测模式、针对区域目标覆盖的小天区观测模式，以及针对全天球覆盖观测的巡天观测模式。3.根据权利要求1所述的一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于所述惯性空间观测卫星为单轴驱动太阳翼的惯性空间观测卫星。4.根据权利要求3所述的一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于卫星本体坐标系的+X轴方向定义为观测载荷的指向，±Y轴方向定义为太阳翼安装轴、Z轴方向由右手定则确定。5.根据权利要求3所述的一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于所述固定对日面在与太阳翼安装轴平行的星体平面中选取。6.根据权利要求2所述的一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于当卫星工作在定点观测模式下时，所述姿态控制算法为惯性定向三轴稳定姿态控制算法，卫星本体坐标系三轴姿态为：为给定惯性目标点在地心惯性系下的单位矢量；为太阳矢量在地心惯性系下的单位矢量；7.根据权利要求2所述的一种适用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，其特征在于当卫星工作在小天区观测模式下时，所述的姿态控制算法为惯性定向小角度旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾荃莹，倪润立，潘腾，张龙，王颖，王晓磊，王瑶，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11