一种基于冗余金字塔太阳敏感器的太阳矢量确定方法与流程

1.本发明属于航天器姿态确定技术领域，涉及一种基于冗余金字塔太阳敏感器的太阳矢量确定方法。


背景技术：

2.卫星姿态确定与控制系统以及能源系统是卫星的两个重要分系统，太阳矢量不仅是卫星的能量来源，还是姿态确定系统中所需的重要信息，常用基于磁场矢量与太阳矢量的双矢量组合定姿中。传统的太阳矢量确定方法是通过一个太敏上的太阳能电池片接收太阳光，然后根据太敏输出电流确定太阳矢量。显然，这种方式在太敏故障或有效电流个数不足的情况下无法再获得太阳矢量信息。目前，国内外尚未有关于利用多个金字塔太敏并通过多电流法与递推估计法相结合方式确定太阳矢量的研究。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于冗余金字塔太阳敏感器的太阳矢量确定方法，其特征在于，所述基于冗余金字塔太阳敏感器的太阳矢量确定方法应用于太阳矢量的全天候测量，采用两个金字塔太敏相互垂直安装方式，第一太敏平行于ocu原点坐标系的xcoyc面，第二太敏平行于ocu原点坐标系的zcoyc面；所述方法包括步骤：
4.步骤1：对两个金字塔太敏输出的8个通道的电流信号进行降序排列并取最大的四个电流；
5.步骤2：根据步骤1得到的四个最大电流，计算有效电流个数；
6.步骤3：设计太阳单位矢量确定方法，包括三电流法、两电流法以及递推估计法；
7.步骤4：根据步骤2得到的有效电流个数，以及步骤3设计的三电流法、两电流法以及递推估计法确定太阳单位矢量在星体本体系下的坐标
8.优选地，所述步骤1包括步骤：
9.步骤11：根据太阳入射角与金字塔太敏各太阳能电池片输出电流的关系，通过多项式拟合的方式得到两者之间的函数表达式；
10.步骤12：太阳光照射在金字塔第一太敏、第二太敏的四块太阳能电池片上，太敏根据太阳光的入射角度输出8个通道的电流信号，依次为i
a1
、i
a2
、i
a3
、i
a4
、i
b1
、i
b2
、i
b3
、i
b4
；
11.步骤13：将8个通道的电流信号按照数值大小降序排列，依次记为i1、i2、i3、i4、i5、i6、i7、i8；记下相应顺序的太阳能电池片平面法向在星体本体系下的坐标为u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8；在8个通道的电流信号中选择最大的4个电流i1、i2、i3、i4及相应的坐标u1、u2、u3、u4。
12.优选地，所述步骤2包括步骤：
13.步骤21：判断i1、i2、i3、i4中是否同时存在电流i
a2
和i
b4
，若不存在则直接选择最大的3个电流即i1、i2、i3以及对应的坐标u1、u2、u3；若同时存在电流i
a2
和i
b4
则去掉电流i
b4
，将剩下的三个电流重新降序排列得i1、i2、i3，并记录对应的坐标u1、u2、u3；
14.步骤22：设置有效电流阈值为η，将步骤21得到的电流i1、i2、i3分别与有效电流阈值η进行比较，大于阈值即为有效电流，合计有效电流个数为n。
15.优选地，所述步骤3包括步骤：
16.当步骤2计算得到的有效电流个数n＝0或n＝1时，通过地推估计法确定太阳矢量，具体如下：
[0017][0018]
其中和分别为当前拍和前一拍的本体系相对惯性系的坐标变换矩阵，和分别为当前拍和前一拍太阳单位矢量在星体本体系下的坐标。
[0019]
优选地，所述步骤3包括步骤：
[0020]
当步骤2计算得到的有效电流个数n＝2时，通过两电流法确定太阳矢量具体如下：
[0021]
(1)根据最大电流i1、i2选取对应的坐标u1、u2，通过太阳入射角与金字塔太敏各太阳能电池片输出电流的函数关系式计算i1、i2相对应的太阳入射角余弦值cosα1、cosα2，并分别构造矩阵maxplane2、mincosα2；
[0022][0023][0024]
令
[0025][0026]
第一组：
[0027][0028]
第二组：
[0029][0030]
第三组：
[0031][0032]
(3)计算根据以上三组求根公式，分别将δx、δy、δz与0比较大小，选取其中δ＞0的求根公式进行下一步计算：
[0033]
若δx＞0，则有
[0034][0035]
若δy＞0，则有
[0036][0037]
若δz＞0，则有
[0038][0039]
若δx、δy、δz均小于等于0，则通过递推估计法计算结果；当前为第一拍时，输出无效值反之则输出通过步骤(1)递推估计法确定太阳矢量；
[0040][0041]
对以上计算结果进行重根筛选，记x1＝[x
s1 y
s1 z
s1
]
t
、x2＝[x
s2 y
s2 z
s2
]
t
，分别求向量x1与向量x2与的数量积；
[0042][0043][0044]
其中，ξ是向量x1与的数量积，ψ是向量x2与的数量积；若ξ≥ψ，考虑到星体惯性大力矩小，运动变化不剧烈，取与上一拍太阳矢量更接近的值输出，令若ξ＜ψ，则令最后，对做归一化处理。
[0045]
优选地，所述步骤3包括步骤：
[0046]
当步骤2计算得到的有效电流个数n＝3时，通过三电流法确定太阳矢量具体如下：
[0047]
(1)根据最大的三个电流i1、i2、i3得到对应的坐标u1、u2、u3，通过太阳入射角与金字塔太敏各太阳能电池片输出电流的函数关系式计算i1、i2、i3相对应的太阳入射角余弦值cosα1、cosα2、cosα3，分别构造矩阵maxplane3和mincosα3如下：
[0048][0049]
mincosα3＝[cosα
1 cosα
2 cosα3]
t
ꢀꢀ
(31)
[0050]
(2)计算
[0051]
令m＝maxplane3，n＝mincosα3，当前拍的太阳方向单位矢量在星体本体系下的坐标为：
[0052][0053]
最后，对做归一化处理。
[0054]
优选地，所述步骤4包括步骤：
[0055]
步骤41：判断太阳方向矢量第一拍计算值的有效性，记矩阵行
列式a的值为b；若b的绝对值小于0.1则本节拍计算输出的结果无效，输出无效值反之则有效；
[0056]
步骤42：根据i1、i2、i3中的有效电流个数选择对应的太阳方向矢量计算方法进行计算，若有效电流个数n＝0或n＝1，则无法直接利用太敏计算太阳矢量，通过递推估计法进行计算若有效电流个数n＝2，则通过两电流方法计算若有效电流个数为n＝3且b的绝对值小于0.1则通过两电流方法计算反之通过三电流方法计算
[0057]
本发明首次提出多电流测量法与递推估计法相结合的太阳矢量确定方法，解决了在有效电流个数不足等极端情况下太阳矢量信息获取失败的问题。与此同时，冗余构型的金字塔太敏也提高了太阳矢量确定的可靠性。
附图说明
[0058]
图1为本发明的两电流法确定太阳矢量流程；
[0059]
图2为本发明的三电流法确定太阳矢量流程；
[0060]
图3(a)-(d)为本发明实施例的太阳矢量理论值、太敏输出电流值、太阳矢量测量值、太阳矢量测量误差值；
[0061]
图4为本发明的冗余金字塔构型。
具体实施方式
[0062]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0063]
如图1所示，本发明的两电流法确定太阳矢量流程为：
[0064]
(1)根据最大电流i1、i2选取对应的坐标u1、u2，太阳入射角余弦值cosα1、cosα2，分别构造矩阵maxplane2、mincosα2；
[0065][0066][0067]
令
[0068][0069]
(2)根据求根公式分别计算δx、δy、δz：
[0070]
第一组：
[0071][0072]
第二组：
[0073][0074]
第三组：
[0075][0076]
(3)计算根据以上三组求根公式，分别将δx、δy、δz与0比较大小，选取其中δ＞0的求根公式进行下一步计算：
[0077]
若δx＞0，则有
[0078][0079]
若δy＞0，则有
[0080][0081]
若δz＞0，则有
[0082][0083]
若δx、δy、δz均小于等于0，则通过递推估计法计算结果。当前为第一拍时，输出无效值反之则输出通过递推估计法确定太阳矢量。
[0084][0085]
对以上计算结果进行重根筛选，记x1＝[x
s1 y
s1 z
s1
]
t
、x2＝[x
s2 y
s2 z
s2
]
t
，分别求向量x1与向量x2与的数量积。
[0086][0087][0088]
其中，ξ是向量x1与的数量积，ψ是向量x2与的数量积。若ξ≥ψ，考虑到星体惯性大力矩小，运动变化不剧烈，取与上一拍太阳矢量更接近的值输出，令若ξ＜ψ，则令最后，对做归一化处理。
[0089]
如图2所示，本发明的三电流法确定太阳矢量流程为；
[0090]
(1)根据最大的三个电流i1、i2、i3得到对应的坐标u1、u2、u3和太阳入射角余弦值cosα1、cosα2、cosα3。分别构造矩阵maxplane3和mincosα3如下，
[0091][0092]
mincosα3＝[cosα
1 cosα
2 cosα3]
t
[0093]
(2)计算
[0094]
令m＝maxplane3，n＝mincosα3，当前拍的太阳方向单位矢量在星体本体系下的坐标为：
[0095]
[0096]
最后，对做归一化处理。
[0097]
本实施例的太阳矢量理论值、太敏输出电流值、太阳矢量测量值、太阳矢量测量误差值分被如图3(a)-(d)所示。
[0098]
本发明实施例的太阳入射角与太敏输出电流关系如表1所示。
[0099]
表1为本发明实施例的太阳入射角与太敏输出电流关系表
[0100][0101]
由此可得，
[0102]
金字塔太敏电池片a1、b1输出电流与太阳入射角β关系：
[0103]
β1＝-0.0002778
·
i3+0.02906
·i2-1.471
·
i+91.12
[0104]
金字塔太敏电池片a2、b2输出电流与太阳入射角β关系：
[0105]
β2＝-0.0002743
·
i3+0.02846
·i2-1.438
·
i+90.72
[0106]
金字塔太敏电池片a3、b3输出电流与太阳入射角β关系：
[0107]
β3＝-0.000277
·
i3+0.02905
·i2-1.472
·
i+91.02
[0108]
金字塔太敏电池片a4、b4输出电流与太阳入射角β关系：
[0109]
β4＝-0.0002694
·
i3+0.02794
·i2-1.434
·
i+91.15
[0110]
根据以上四式，即可通过太阳能电池片输出电流推算得太阳入射角。
[0111]
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。