一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法
【专利摘要】一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，在卫星的-Z面上布局4个成一定几何关系的太阳电池片。然后通过规一化电流值的大小确定卫星初始转动方向，控制卫星转动并在转动过程中持续根据规一化电流值的大小调整卫星的转动方向，让卫星的-Z轴始终向着太阳方向转动。当3个或4个电池片的规一化电流大于给定槛值时，确定出卫星的实测姿态。当实测姿态满足条件时，利用陀螺角速度对姿态进行预估，并利用实测姿态进行修正得到预估姿态，当实测姿态不满足条件时，直接使用实测姿态更新预估姿态，最后通过预估姿态得到卫星对日定向所需的控制量，经闭环控制后达到对太阳定向和跟踪的目的。采用本发明方法能够快速的捕获太阳并稳定跟踪。
【专利说明】—种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法
【技术领域】
[0001]本发明属于空间飞行器姿态控制领域，涉及一种空间飞行器对太阳进行捕获的方法，特别是一种基于多个太阳电池片的测量电流对太阳进行搜索和捕获的方法。
【背景技术】
[0002]太阳捕获，就是控制处于空间任何方向上的航天器利用特定敏感器搜索太阳，当搜索到太阳后控制航天器上的某个方向指向太阳的过程。
[0003]目前卫星常用的太阳捕获方法分两类，一类是已知太阳目标矢量位置坐标和当前姿态信息。例如，利用星敏感器进行太阳捕获属于这一类，特点是在整个捕获过程中当前姿态信息能够连续获得。专利号为CN201010509204.X，名称为”一种卫星初入轨段的初始太阳捕获方法”的专利所公开的技术方案即属于这一类，这种方法的不足之处在于必需使用星敏感器这类具有全天球定姿能力的测量部件提供卫星当前的惯性姿态，捕获太阳时需要预先知道太阳的准确位置，因此在星上需要计算太阳星历；另一类则是太阳目标矢量和当前姿态信息未知，只有当航天器按照一定规律转动，让太阳敏感器看到太阳后才有相应的姿态信息，获得姿态信息后最终控制航天器指向太阳。专利号为CN201210063567.4，名称为”高轨道卫星大初始角速率情况的无陀螺太阳捕获控制方法”的专利所公开的技术方案即属于这一类。该方法主要是陀螺故障情况下的太阳捕获方法，在进行太阳搜索时卫星先绕俯仰轴按照0.5° /s的角速度旋转，720秒后太阳敏感器仍然不可见则切换为绕滚动轴按照
0.5° /s的角速度旋转，800秒后仍然不成功则重新搜索。其不足之处在于当太阳与俯仰轴平行时，绕俯仰轴不能搜索到太阳，需经过至少720秒切换搜索方向后才能搜索到太阳。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种利用多个太阳电池片快速搜索到太阳，并能实现太阳指向稳定控制的方法。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，步骤如下:
[0006]( I)在卫星-Z面上布局4个太阳电池片，每个太阳电池片在卫星-Z面布局时，应保证每个太阳电池片沿感光面法线方向上无障碍物遮挡，4个太阳电池片的法线方向与卫星本体坐标系-Z面的法线方向的夹角相同且均为β，其中I号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的+X轴夹角为90° -β、2号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的+Y轴夹角为90° _β、3号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的-X轴夹角为90° _β、4号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的-Y轴夹角为90° -β ；
[0007](2)依次读取每个太阳电池片的电流值，进行归一化处理后得到归一化电流Ii, i=l, 2，3，4 ;然后再对Ii的真实性进行判断，在真实的情况下则保留Ii的当前值，如果不真实则将Ii设置为O ;
[0008]所述归一化处理的方法是将太阳电池片每个周期实测电流值除以该太阳电池片在I个太阳常数下正面垂直照射太阳电池片所产生的最大电流值；
[0009]电流真实性的判断依据为电流值满足关系Ii) ε >0，则认为电流Ii是真实有效的，ε为给定的阈值；
[0010](3)利用归一化电流确定初始搜索方向，若max (I1, I2, I3, I4) < ε，则控制卫星绕其本体坐标系的Y轴按照目标角速度《yb匀速转动，同时保持X轴和Z轴不转动，直至某个电流采集周期获取的Ii满足max (I1, I2, I3, I4)≥ε后进入步骤(4);若max (I1, I2, I3, I4)ε，则按照最大规一化电流值所对应的太阳电池片所在位置确定卫星初始转动方向，具体如下:
[0011]若I1=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，则控制卫星绕Y轴按照目标角速度《yb=-cob进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；若I2=Maxd1, I2, I3, Ι4)> ε，则控制X轴按照目标角速度Qxb=COb进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；若I3=Kiaxd1, I2, I3, I4) > ε，则控制Y轴按照目标角速度《yb=cob进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；若I4=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，则控制X轴按照目标角速度《xb=-cob进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；为转动角速度，转动角速度的正负按照旋转轴右手系确定，前面的负号表不反向转动；
[0012](4)采集4个太阳电池片的电流信息并根据归一化电流最大值调整卫星的转动方向，若I1=Hiax (I1, I2, I3, I4) > ε，则调整卫星绕Y轴按照目标角速度0_=-(^进行匀速转动，X轴和Z轴的目标角速度coxb、Cozb设置为0° /s ;若I2=Hiaxd1, 12，13，Ι4)> ε，则调整卫星绕X轴按照目标角速度《xb=cob进行匀速转动，Y轴和Z轴的目标角速度coyb、cozb设置为
O。/s I3axd1, I2, I3, I4) > ε，则调整卫星绕Y轴按照目标角速度oyb=cob进行匀速转动，X轴和Z轴的目标角速度coxb、COzb设置为0° /s ;若I4=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，则调整卫星绕X轴按照目标角速度行匀速转动，Y轴和Z轴的目标角速度coyb、cozb设置为 O。/s ；
[0013]调整完成后，继续判断I1, I2, I3, I4四个规一化电流值的大小，如果同时有3个或者4个规一化电流值满足Ii) ε，则清除卫星转动角速度，停止卫星转动，并设置目标角速度coxb、coyb、cozb为0° /s，转入步骤(5)，否则保持当前转动角速度，直至满足条件后进入步骤(5)；
[0014](5)采集4个太阳电池片的电流信息并归一化处理，利用归一化电流计算卫星的
^5
滚动角和俯仰角Θ，其中炉
【权利要求】
1.一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，其特征在于步骤如下: (1)在卫星-Z面上布局4个太阳电池片，每个太阳电池片在卫星-Z面布局时，应保证每个太阳电池片沿感光面法线方向上无障碍物遮挡，4个太阳电池片的法线方向与卫星本体坐标系-Z面的法线方向的夹角相同且均为β，其中I号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的+X轴夹角为90° -β、2号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的+Y轴夹角为90° -β、3号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的-X轴夹角为90° -β、4号太阳电池片法线与卫星本体坐标系的-Y轴夹角为90° -β ; (2)依次读取每个太阳电池片的电流值，进行归一化处理后得到归一化电流Ii, i=l, 2，3，4 ;然后再对Ii的真实性进行判断，在真实的情况下则保留Ii的当前值，如果不真实则将Ii设置为O ; 所述归一化处理的方法是将太阳电池片每个周期实测电流值除以该太阳电池片在I个太阳常数下正面垂直照射太阳电池片所产生的最大电流值； 电流真实性的判断依据为电流值满足关系?ρεΧ)，则认为电流Ii是真实有效的，ε为给定的阈值； (3)利用归一化电流确定初始搜索方向，若max(I1, I2, I3, I4) < ε，则控制卫星绕其本体坐标系的Y轴按照目标角速度ω yb匀速转动，同时保持X轴和Z轴不转动，直至某个电流采集周期获取的Ii满足max (I1, 12，13，I4)≥ε后进入步骤(4);若max (I1, 12，13，I4)≥ε，则按照最大规一化电流值所对应的太阳电池片所在位置确定卫星初始转动方向，具体如下: 若I1=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，则控制卫星绕Y轴按照目标角速度《yb=-cob进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；若I2=Hiaxd1, I2, I3, Ι4)> ε，则控制X轴按照目标角速度COxb=COb进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；若I3=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，则控制Y轴按照目标角速度《yb=cob进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；若I4=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，则控制X轴按照目标角速度《xb=-cob进行匀速转动，另外两个轴保持稳定不转动；为转动角速度，转动角速度的正负按照旋转轴右手系确定，前面的负号表不反向转动； (4)采集4个太阳电池片的电流信息并根据归一化电流最大值调整卫星的转动方向，若I1=Hiax (I1, I2, I3, I4) > ε，则调整卫星绕Y轴按照目标角速度《_=-(^进行匀速转动，X轴和Z轴的目标角速度coxb、Cozb设置为O° /s ;若I2=Hiaxd1, 12，13，Ι4)> ε，则调整卫星绕X轴按照目标角速度《xb=cob进行匀速转动，Y轴和Z轴的目标角速度coyb、cozb设置为0° /s ;若I3=Hiaxai, I2, I3, I4) > ε，则调整卫星绕Y轴按照目标角速度《_=(^进行匀速转动，X轴和Z轴的目标角速度coxb、Cozb设置为0° /s ;若I4=Hiaxd1, 12，13，Ι4)> ε，则调整卫星绕X轴按照目标角速度行匀速转动，Y轴和Z轴的目标角速度coyb、cozb设置为O。/s ； 调整完成后，继续判断I1, I2, I3, I4四个规一化电流值的大小，如果同时有3个或者4个规一化电流值满足Ii) ε，则清除卫星转动角速度，停止卫星转动，并设置目标角速度《xb、coyb、cozb为O。/s，转入步骤(5)，否则保持当前转动角速度，直至满足条件后进入步骤(5)； (5)采集4个太阳电池片的电流信息并归一化处理，利用归一化电流计算卫星的滚动角和俯仰角Θ，其中沪= Ian l^f,汐=—ta丨I ，
2.根据权利要求1所述的一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，其特征在于:所述β的取值范围在30°~60°之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，其特征在于:所述ω,的取值范围在0.3° /s~0.5° /s之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，其特征在于:所述Lmt的取值范围在3°~5。之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，其特征在于:所述的 Kdx、Kdy, Kpx, Kpy 满足关系式 Kdx>5Kpx，Kdy>5Kpy。
6.根据权利要求1所述的一种基于多个太阳电池片的太阳捕获方法，其特征在于:所述ε的取值范围在0.15~0.25之间。
【文档编号】G05D1/08GK103472846SQ201310372774
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2013年8月23日
【发明者】林波, 曾海波, 武云丽, 范炜, 徐忠宾, 沈莎莎, 吴小明, 刘江, 杜建伟, 周中泽, 梁鹤, 彭坤 申请人:北京控制工程研究所