[發明專利]一種基于偏航導引的傾斜軌道航天器獲取能源的方法

在審

• 申請號: 201410323453.8
• 申請日: 2014-07-08
• 公開（公告）號: CN104090612A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 葉立軍;朱虹;豐保民;朱文山
• 申請（專利權）人: 上海新躍儀表廠
• 主分類號: G05D27/02
• 分類號: G05D27/02
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 張靜潔;徐雯瓊

技術領域

本發明涉及一種基于偏航導引的傾斜軌道航天器獲取能源的方法，屬于航天器姿軌控系統姿態控制方法的研究，用以保證傾斜軌道航天器的能源。

背景技術

目前，長壽命航天器所需要的能源絕大部分是由太陽帆板提供的。我國的低軌長壽命航天器多數采用太陽同步軌道，除了考慮任務需求外，還有一個重要的原因就是采用這種軌道，太陽帆板能夠獲得較好的光照條件，保證航天器能源。然而隨著科技飛速發展，采用傾斜軌道來實現某些特定的任務目標則變得具有更多優勢，如采用75°傾角的衛星，可以實現對地球最優的覆蓋。眾所周知，傾斜軌道航天器所面臨的一個棘手問題就是太陽帆板在軌光照條件比較惡劣。

航天器軌道光照角情況，取決于太陽矢量與軌道平面的夾角，專業術語稱為太陽高度角，用β表示。傾斜軌道航天器，受到地球公轉和軌道升交點赤經(一般用Ω表示)漂移的綜合作用，太陽高度角β持續變化，會周期性過零，太陽高度角β的變化周期長短與航天器軌道高度及軌道傾角有關，從1個月至1年不等。一般的，航天器軌道高度越高，軌道傾角(小于90°)越大，那么太陽高度角β的變化周期就越長，反之，太陽高度角β的變化周期就越短。

航天器軌道周期與軌道高度有關，地球傾斜軌道航天器軌道周期一般為90分鐘到14小時不等。所以在一個軌道周期內，航天器太陽高度角β的變化很小，太陽光照矢量相對于航天器本體形成一個圓錐面，半錐角為90°-β。不同時期，由于太陽高度角β的不同，半錐角也逐漸變化，如圖1所示。

太陽同步軌道的一個顯著特征就是軌道面的進動速度與地球繞太陽公轉的速度大小相等方向相反，因此一年之中太陽矢量與軌道平面的夾角，也就是太陽高度角β是在一個較小的范圍內變化的，一般在15°以內。在太陽高度角β的一個變化周期內，太陽矢量的運行軌跡僅為一個較小的環形帶，對于航天器來說，如果其采取三軸零姿態控制方式，太陽永遠只出現在其軌道面的一端，存在一個固定的背陽面，利于帆板對日定向控制，整星熱控及光學姿態敏感器布局。

對于傾斜軌道航天器來說，如果其采取三軸零姿態控制方式，在太陽高度角β的一個變化周期內，太陽矢量運行軌跡將形成一個兩端開口的“球”，將航天器包裹其中，開口的大小為90°-β_max。極端地，如果太陽高度角β為90度，則開口的“球”會變為一個封閉的“球”。也就是說，太陽可能出現在航天器的各個地方，不利于帆板對日定向控制，也不利于整星熱控，更不利于光學姿態敏感器布局。

綜上所述，由于傾斜軌道航天器的光照條件比較惡劣，所以傾斜軌道航天器不能采取類似太陽同步軌道航天器三軸零姿態控制方案，而必須尋求其他解決方案。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于偏航導引的傾斜軌道航天器獲取能源的方法，能夠在太陽高度角變化范圍大，光照條件復雜的情況下，實現航天器的太陽帆板法線指向太陽，從而保證航天器在傾斜軌道的情況下能夠獲得太陽能源。

為實現上述目的，本發明提供一種基于偏航導引的傾斜軌道航天器獲取能源的方法，具體包含以下步驟：

步驟1、根據儒略世紀數計算J2000慣性坐標系下的太陽單位矢量

步驟2、根據J2000慣性坐標系下的太陽單位矢量衛星位置以及衛星運行速度計算太陽高度角β；

步驟3、根據衛星位置和衛星運行速度計算J2000慣性坐標系到軌道坐標系的轉移矩陣A_oi；

步驟4、根據J2000慣性坐標系下的太陽單位矢量以及J2000慣性坐標系到軌道坐標系的轉移矩陣A_oi，計算軌道坐標系下的太陽高低角θ_s；

步驟5、根據太陽高度角β和太陽高低角θ_s，計算偏航導引角ψ和帆板驅動角R；

步驟6、通過偏航姿態控制和帆板一維驅動，使太陽矢量垂直于太陽帆板平面，保證航天器能源的獲取。

上述步驟1中，具體包含以下步驟：

步驟1.1、根據時間t計算太陽軌道：

該時間t是指從世界時間2000年1月1日12點0分0秒到當前時刻的世紀數；