[發(fā)明專利]一種航天器多星敏感器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810271672.4
• 申請(qǐng)日: 2018-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN108681617B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余快;吳蓓蓓;劉鳳晶;劉云鶴;李果;王成倫;張勝;祖家國(guó);趙華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F30/20;G06F111/04
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 任林沖

本發(fā)明公開了一種航天器多星敏感器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，(1)確定由地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)引起的太陽光直射點(diǎn)赤緯、赤經(jīng)的變化范圍，定義星敏光軸矢量，建立太陽光約束表達(dá)式；(2)解析衛(wèi)星橢圓軌道與地球相對(duì)位置關(guān)系，確定衛(wèi)星在運(yùn)行至近地點(diǎn)時(shí)星敏感器光軸方向與星地連線之間的夾角，建立地氣光約束表達(dá)式；(3)用圓錐體集合描述星敏感器遮光罩內(nèi)部以星敏感器為起點(diǎn)的射線，將衛(wèi)星中立方體部件及圓柱體部件用集合形式描述，通過解析表達(dá)式描述星敏感器遮光罩圓錐范圍內(nèi)的射線不被遮擋；(4)構(gòu)造多星敏感器布局的優(yōu)化問題指標(biāo)函數(shù)，獲得多星敏感器最優(yōu)指向，確定多星敏感器最優(yōu)布局。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種航天器多星敏感器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

星敏感器作為衛(wèi)星最重要的姿態(tài)確定器件，其構(gòu)型布局是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。隨著衛(wèi)星技術(shù)的飛躍式發(fā)展，衛(wèi)星的軌道、平臺(tái)、任務(wù)越來越多樣化，不同軌道、不同平臺(tái)的新研衛(wèi)星越來越多，星上安裝的大型部件如太陽翼、天線、相機(jī)也越來越多、衛(wèi)星星敏感器的布局約束也越來越復(fù)雜。

傳統(tǒng)的布局流程為構(gòu)型設(shè)計(jì)師依靠經(jīng)驗(yàn)給出布局角度和簡(jiǎn)單的視場(chǎng)分析，軌道和姿態(tài)控制設(shè)計(jì)師對(duì)其進(jìn)行仿真并將仿真結(jié)果反饋給布局設(shè)計(jì)師，若布局設(shè)計(jì)不滿足姿軌控要求則修改布局方案，多輪迭代形成最終星敏感器的布局方案。此方法設(shè)計(jì)鏈路較長(zhǎng)，對(duì)構(gòu)型布局設(shè)計(jì)師的工作經(jīng)驗(yàn)要求較高，不容易快速找到星敏感器布局的可用空間和最優(yōu)角度，對(duì)任務(wù)需求差異的適應(yīng)性差，不適用于未來新軌道新任務(wù)的航天器星敏感器布局工作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：本發(fā)明提出了一種航天器多星敏感器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將航天器多星敏感器布局問題描述成標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化問題，從而通過量化計(jì)算獲得多星敏感器最優(yōu)布局方案，以解決傳統(tǒng)星敏感器布局問題對(duì)設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)過分依賴及設(shè)計(jì)鏈路較長(zhǎng)的問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

一種航天器多星敏感器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體步驟為：

(1)確定由地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)引起的太陽光直射點(diǎn)赤緯、赤經(jīng)的變化范圍，定義星敏光軸矢量，建立太陽光約束表達(dá)式；

(2)解析衛(wèi)星橢圓軌道與地球相對(duì)位置關(guān)系，確定衛(wèi)星在運(yùn)行至近地點(diǎn)時(shí)星敏感器光軸方向與星地連線之間的夾角，并通過約束保證該夾角能夠滿足星敏感器布局要求，建立地氣光約束表達(dá)式；

(3)用圓錐體集合描述星敏感器遮光罩內(nèi)部以星敏感器為起點(diǎn)的射線，將衛(wèi)星中立方體部件及圓柱體部件用集合形式描述，通過解析表達(dá)式描述星敏感器遮光罩圓錐范圍內(nèi)的射線不被遮擋；

(4)結(jié)合太陽光約束表達(dá)式、地氣光約束表達(dá)式和星體及其他部件約束的解析表達(dá)式，構(gòu)造多星敏感器布局的優(yōu)化問題指標(biāo)函數(shù)，獲得多星敏感器最優(yōu)指向，確定多星敏感器最優(yōu)布局。

太陽光約束的解析描述方法為：根據(jù)衛(wèi)星的軌道根數(shù)將太陽光單位矢量從地心第一赤道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，由地球繞太陽公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)規(guī)律，確定衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中太陽赤緯、赤經(jīng)變化的范圍，建立太陽光約束表達(dá)式以表示星敏感器光軸與太陽光矢量夾角大于遮光罩半錐角。

從地心第一赤道坐標(biāo)系向衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中Ω表示衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)，i表示衛(wèi)星軌道傾角，u表示衛(wèi)星在軌道上所處的位置。[x y z]'為某點(diǎn)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，[x₁y₁ z₁]' 為該點(diǎn)在地心第一赤道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

太陽單位矢量在地心第一坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

x_1s＝cosδ_s cosα_s