[發明專利]一種日心軌道航天器太陽光壓力矩確定方法

有效

• 申請號: 202110505403.1
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113311853B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 楊紹龍;金磊;李迎杰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種日心軌道航天器太陽光壓力矩確定方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：

步驟1：建立投影坐標系并獲得航天器在投影坐標系下的分量列陣，其中，取日心軌道坐標系作為投影坐標系；

步驟2：對航天器進行遮擋判斷，得到有效照射單元，主要包括：判斷是否受到光照、消除部件之間的相互遮擋、得到實際受到光照的微元；

步驟3：確定航天器受到的太陽光壓力矩；

步驟4：建立航天器所受太陽光壓力矩的解析表達式，進而快速獲得光壓力矩的大小：

其中，光壓力矩解析表達式基于如下假設：

假設1：航天器的結構為中心本體加對稱分布的兩個太陽帆板，且中心本體為均勻對稱的六面體，其形心與質心重合；

假設2：航天器的姿態角處于較小范圍內，航天器的中心本體與帆板之間的相互遮擋很小，可以忽略不計；

得到：

航天器中心本體所受光壓力矩在本體坐標系下的解析表達式為：

航天器帆板所受光壓力矩在本體坐標系下的解析表達式為：

分析帆板所受太陽光壓力矩的解析表達式可知，當兩個帆板的轉角相等，即β₁＝β₂時，帆板產生的太陽光壓力矩為零，即T_{s_srp}＝0，當兩個帆板的轉角不相等，即β₁≠β₂時，安裝在本體系Y_b軸的帆板會產生繞X_b和Z_b軸的力矩；

其中，步驟1所述的取日心軌道坐標系為投影坐標系，具體為：太陽方向矢量在投影坐標系下的分量列陣^os為：

^os＝[0 0 1]^T

將航天器各個部件的質量微元的坐標數據轉換到投影坐標系中，分為中心體和帆板兩部分，表達式分別為：

^or_bi＝R_ob^br_bi

^or_bj＝R_ob(^br_bak+R_bak^akr_akj)

其中，^br_bi和^or_bi分別表示本體坐標系原點o_b到中心體質量微元的矢量在本體坐標系和投影坐標系下的分量列陣，^akr_akj表示帆板固連坐標系原點o_ak到帆板質量微元的矢量在帆板固連坐標系下的分量列陣，^or_bj表示本體坐標系原點o_b到帆板質量微元的矢量在投影坐標系下的分量列陣，^br_bak表示本體坐標系原點o_b到帆板附件坐標系原點o_ak的矢量在本體坐標系下的分量列陣；

所述步驟2具體包括：

步驟2.1：消除光照背面，得到受到照射的表面

利用有限元分析軟件，將航天器表面劃分為若干個三角形面片，根據三角形面片頂點在投影坐標系下的分量列陣求解面片的法向量在投影坐標系下的分量列陣^on₀，表達式為：

其中，A、B、C分別表示三角形面片的三個頂點，^or_A、^or_B、^or_C分別表示投影坐標系原點到三角形面片三個頂點的矢量在投影坐標系下的分量列陣，||r||表示r的二范數；

面片的外法向量在投影坐標系下的分量列陣^on通過三角形面片上的點進行修正，表達式為：

^on＝sign(^or_P·^on₀)^on₀

其中，^or_P表示投影坐標系原點到三角形面片上P點的矢量在投影坐標系下的分量列陣，sign(*)為符號函數；

通過函數H(^os·^on)確定受到照射的表面：

其中，^on_z表示^on的Z軸分量，H(^os·^on)＝1表示面片受到照射，H(^os·^on)＝0表示面片被遮擋；

步驟2.2：航天器部件間的遮擋判斷

將所有受到光照的面片投影到投影面上，投影面方程為：

z=h

對光照面的投影圖形進行微元劃分，并假設微元位于面片的投影中，則存在正數λ₁,λ₂,λ₃使得：

其中，O表示投影坐標系的原點，P′表示微元的中心，A′、B′、C′分別表示三角形面片三個頂點A、B、C在投影面上對應的點；

在投影坐標系中計算對應的λ₁,λ₂,λ₃，即：

其中，^or_P′＝[x_p y_p h]^T表示投影坐標系原點O到微元中心P′的矢量在投影坐標系下的分量列陣，^or_A′＝[x_a y_a h]^T、^or_B′＝[x_b y_b h]^T、^or_C′＝[x_c y_c h]^T分別表示投影坐標系原點O到投影面上A′、B′、C′的矢量在投影坐標系下的分量列陣；

當min(λ₁,λ₂,λ₃)≥0時，表示微元位于三角形面片的投影內部，反之，微元位于三角形面片的投影外部；

假設微元在三角形面片ABC上對應的點為P，則P點在投影坐標系下的Z軸分量可通過下式計算得到：

微元可能不止為一個面片上的點的投影，其中Z軸分量最大所對應的面片為該微元的照射面，該面片上對應的微元判斷為光照面，而其他面片上對應的微元判斷為遮擋。