专利名称：一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法
技术领域：
本发明涉及一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法，可以在星上实现帆板的 双自由度运动，主要在非太阳同步轨道的卫星上使用。
背景技术：
卫星帆板上铺设有太阳能电池片，伸展开的帆板可以大大增加卫星获取太阳能的 面积，所以帆板是绝大多数卫星获取太阳能的必备设备，也是卫星在轨飞行的主要能源来 源。目前我国在轨运行的卫星除了使用固定翼帆板外(固定翼帆板是指帆板固连于星体， 不能转动)，就是使用单自由度的帆板。单自由度的帆板上装配有帆板驱动机构(一种转动 电机)，其作用就是带动帆板转动以跟踪太阳，使卫星最大程度获取太阳能，供应卫星各部 件工作使用。太阳同步轨道的特性决定了太阳和轨道面的夹角变化范围较小，并且选用单自由 度帆板的卫星在选择轨道时，多是选择太阳和轨道面夹角小的轨道，从而帆板驱动机构在 垂直轨道面方向旋转帆板就可以令太阳直射帆板，为卫星获取能源。所以工作在太阳同步 轨道的卫星上配置单自由度的帆板驱动机构一般就足够了。但近年来，由于新任务和新需求的提出，卫星往往需要采用非太阳同步轨道。在非 太阳同步轨道下，太阳和轨道面夹角的变化很大，可以有90度的变化范围。显而易见，当太 阳垂直照射到轨道面时，垂直轨道面的帆板无论怎样转动都无法获得能源。所以，非太阳同 步轨道的卫星如果只装配有单自由度的帆板，为了实现帆板法线指向太阳，就必须常常进 行卫星的姿态机动。这样往往会打断卫星对地观测的任务，影响卫星的正常使用。由于卫星的任务多是对地球进行观测的，例如环境减灾，遥感探测等，因此卫星多 采用对地定向三轴稳定的控制方法，也就是令卫星的某一面(例如安装有相机等设备的一 侧)始终朝向地面，同时保持卫星姿态相对稳定不变。而非太阳同步轨道的卫星如果选择 了单自由度帆板，为了星上能源的需要，就无法保证卫星始终保持对地定向三轴稳定。也就 是说，在非太阳同步轨道下，卫星为了确保能源的供给，就需要经常停止正常工作进行姿态 调整；而如果卫星始终保持对地定向三轴稳定(正常工作状态)，就会因缺少能源而危及卫 星寿命。这就使卫星的使用方式受到了很大的限制，限制了卫星的功能和应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种非太阳同步轨道卫 星双轴帆板控制方法，实现了卫星上太阳帆板的双自由度控制，可靠安全地令帆板法线指 向太阳，最大程度满足卫星的能源需求。本发明的技术解决方案是一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法，所述卫星双轴帆板是指有两个转动 自由度的帆板，定义为帆板A轴和帆板B轴，步骤如下(1)根据正常工作模式标志位判断当前时刻卫星是否处于正常工作模式，若处于正常工作模式，则进入步骤(2)；若未处于正常工作模式，则进入步骤(3)；所述正常工作模 式是指卫星保持三轴稳定对地定向状态； (2)根据模拟太阳敏感器的输出判断模拟太阳敏感器是否存在故障，若存在故障， 则根据帆板B轴转角计数器输出量对帆板B轴进行控制，之后进入步骤(5)；若不存在故 障，则按照模拟太阳敏感器的测量值对帆板B轴进行控制，之后进入步骤(5)；所述模拟太 阳敏感器是安装在帆板上的测量太阳矢量和帆板法线夹角的测量敏感器，所述帆板B轴转 角计数器是计量帆板沿B轴转动的角度值的计数器； (3)根据对日定向模式标志位判断当前时刻卫星是否处于对日定向模式，若处于 对日定向模式，则进入步骤(4)；若未处于对日定向模式，则令帆板B轴保持不动，之后进入 步骤(5)；所述对日定向模式是指使卫星保持对日轴指向太阳矢量的状态，对日轴是指当 帆板A轴和B轴均处于0位时，即帆板A轴和B轴的转角均为0度时，帆板法线的指向，所 述转角是转角计数器的测量输出角度值；(4)判断帆板B轴是否处于0位，若处于0位，则令帆板B轴保持不动，之后进入步 骤(5)；若未处于0位，则令帆板B轴归零，之后进入步骤(5)；所述令帆板B轴归零是指令 帆板B轴向0位的方向转动直到转角为0 ；(5)根据双轴同时控制标志位判断帆板A轴和帆板B轴是否同时控制，若不是同 时控制，则进入步骤(6)；若是同时控制，计算帆板A轴控制输出量，进而控制帆板沿A轴转 动；(6)判断帆板B轴是否为保持状态，若是保持状态，则计算帆板A轴控制输出量，进 而控制帆板沿A轴转动；若不是保持状态，则令帆板A轴保持不动。所述步骤(2)中根据帆板B轴转角计数器输出量对帆板B轴进行控制按照如下步 骤进行(a)通过公式i3F = aCSin(S。y)计算帆板B轴理论转角β F ；其中S。y为太阳矢量 在卫星轨道坐标系下Y轴的分量；(b)根据步骤(a)中计算得到的帆板B轴理论转角3F，由公式Δ β = β - β F if 算出帆板B轴需要调整的角度△ β，其中β为帆板B轴转角计数器测量得到的角度值。所述步骤(2)中按照模拟太阳敏感器的测量值对帆板B轴进行控制是指，当前时 刻模拟太阳敏感器的测量值为太阳矢量和帆板法线的夹角，该夹角即为帆板B轴需要转动 的角度值，帆板B轴转动该角度值之后，使得帆板法线与太阳矢量平行本发明与现有技术 相比的有益效果是(1)本发明无需卫星姿态机动就可以使卫星帆板法线指向太阳，从而大大简化了 卫星的飞行程序，节约了卫星进行姿态机动的成本(姿态机动耗费燃料，在空间中，燃料非 常有限和非常宝贵)。并且卫星可以始终保持在对地定向三轴稳定状态，卫星的正常工作内 容无需因姿态机动而被打断，很大程度提高了卫星的工作效率，降低了卫星的管理成本。(2)本发明由于在卫星上使用了双轴太阳帆板而无需卫星进行姿态机动，使得卫 星对姿态机动的要求大大降低，可以减少星上为姿态机动而配备的设备和算法，并可以应 用不同控制方法，例如偏置动量控制，这些不但可以降低卫星的研制成本，还开拓了卫星的 应用领域，并且，由于减少了大量星上为姿态机动而配备的设备，使得卫星重量有所减轻， 对于驱动能力有限的火箭，还可以使得增加有效载荷。
(3)与现有技术中卫星采用的都是固定翼帆板或是单轴帆板驱动机构相比，本发 明是针对双轴太阳帆板驱动机构提出的控制方法的，为今后采用双轴帆板驱动机构的卫星 提供了良好的应用基础。
图1为本发明流程图；图2为本发明卫星帆板驱动机构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行进一步的详细描述。卫星的帆板是卫星在轨获取能源的主要手段。一般单自由度的帆板在卫星对地定 向三轴稳定的状态下，转动方向是垂直于轨道面的。这样在太阳同步轨道(轨道特性决定 太阳和轨道面的夹角变化范围较小)下，太阳在轨道面附近运动时，转动帆板是可以保证 太阳直射在帆板上的。而非太阳同步轨道下，太阳和轨道面的夹角变化范围很大(-90度到 90度)，太阳有平行帆板的可能，在这种情况下，帆板是不能获取能源的。而众所周知，将一 个矢量旋转到另一个矢量的位置，需要有两个旋转角。当帆板只有一个自由度时，另一个旋 转只能由卫星进行姿态机动来实现；而帆板有两个自由度时，单靠帆板的转动就可以对准 太阳，而卫星就可以始终保持对地定向三轴稳定的工作状态了。所以双轴帆板对提高卫星 的工作效率，降低在轨的运行成本都大有好处。本发明提供了一种方法，可以在星上自主实 现双轴帆板跟踪或捕获太阳，为卫星能源提供保障。根据图2所示，双轴帆板安装于卫星的一侧，帆板有两个旋转自由度，分别称为A 轴和B轴，其工作方式类似一个关节。其中A轴等同于单自由度帆板的旋转方向，B轴嵌套 在A轴之内，即A轴可以带动B轴一起旋转。B轴的旋转方向定义是，当帆板处于零位状态 (A轴和B轴的转角输出均为0)，卫星前进的方向即为B轴的旋转方向。而且，A轴和B轴 是单独控制的，即A轴旋转不受B轴的影响，反之亦然如图1所示，本发明提出了一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法，步骤如 下(1)根据正常工作模式标志位(定义标志位为NormalWorkMode)判断当前时刻卫 星是否处于正常工作模式，若处于正常工作模式(NormalWorkMode = 1)，则进入步骤(2)； 若未处于正常工作模式(NormalWorkMode = 0)，则进入步骤(3)；所述正常工作模式是指卫 星保持三轴稳定对地定向状态(卫星的某个面对准地球保持姿态不变的状态)；(2)根据模拟太阳敏感器的输出判断(模拟太阳敏感器采用的是控制工程研究所 研制的ASS-IK模拟太阳敏感器，模拟太阳敏感器测量数据中包含见太阳的标志位，根据这 个标志位判断如果模拟太阳敏感器在应见太阳的情况下测量数据显示不见太阳，则认为 模拟太阳敏感器故障)模拟太阳敏感器是否存在故障，若存在故障，则根据帆板B轴转角计 数器输出量对帆板B轴进行控制，之后进入步骤(5)；若不存在故障，则按照模拟太阳敏感 器的测量值对帆板B轴进行控制，之后进入步骤(5)；所述模拟太阳敏感器是安装在帆板上 的测量太阳矢量和帆板法线夹角的测量敏感器，所述帆板B轴转角计数器安装在B轴帆板 驱动机构内，是计量帆板沿B轴转动的角度值的计数器；
(3)根据对日定向模式标志位判断(定义标志位为PSWorkMode)当前时刻卫星是 否处于对日定向模式，若处于对日定向模式(PSWorkMode = 1)，则进入步骤(4)；若未处于 对日定向模式(PSWorkMode = 0)，则令帆板B轴保持不动，之后进入步骤(5)；所述对日定 向模式是指使卫星保持对日轴指向太阳矢量的工作状态，对日轴是指当帆板A轴和B轴均 处于O位时，即帆板A轴和B轴的转角均为O度时，帆板法线的指向，所述转角是转角计数 器的测量输出角度值； (4)判断帆板B轴是否处于O位，若处于O位，则令帆板B轴保持不动，之后进入步 骤(5)；若未处于O位，则令帆板B轴归零，之后进入步骤(5)；所述令帆板B轴归零是指令 帆板B轴向O位的方向转动直到转角计数器输出为O ；(5)根据双轴同时控制标志位(定义标志位为DualPanelControl)判断帆板A轴 和帆板B轴是否同时控制，若不是同时控制(DualPanelControl = 0)，则进入步骤(6)；若 是同时控制(DualPanelControl = 1)，计算帆板A轴控制输出量，进而控制帆板沿A轴转 动；(6)判断帆板B轴是否为保持状态(B轴转角计数器没有变化，则为保持状态，只要 之前的步骤当中，B轴转角计数器有过数值变化，说明B轴没有处于保持状态)，若是保持状 态，则计算帆板A轴控制输出量(A轴的控制逻辑与B轴类似，简介如下当卫星在正常工作 模式下，则若模拟太阳敏感器无故障，则根据模拟太阳敏感器输出量控制；若模拟太阳故 障，则根据A轴转角计数器输出控制；如果卫星在对日定向工作模式且A轴帆板未在O位， 则A轴帆板归零；除此以外A轴帆板保持不动，进而控制帆板沿A轴转动；若不是保持状态， 则令帆板A轴保持不动。现有技术当中对于单自由度转动帆板的控制比较成熟，本发明中 帆板A轴的控制，就是现有技术中的单自由度帆板移动控制。)所述步骤(2)中根据帆板B轴转角计数器输出量对帆板B轴进行控制按照如下步 骤进行(a)通过公式β F = acsin (Soy)计算帆板B轴理论转角β F ；其中S。y为太阳矢量 在卫星轨道坐标系下Y轴的分量(i3F = aCSin(S。y)公式的来源于旯凡肩, Roi为赤道惯性系与轨道坐标系的转移矩阵，Rtji推导参见《卫星轨道姿态动力学与控制》，北 京航空航天大学出版社，章仁位编著，P138 P139肩是太阳矢量在惯性系下位置坐标，推 导见《航天器轨道理论》，国防工业出版社，刘林著，P253 258)；(b)根据步骤(a)中计算得到的帆板B轴理论转角3F，由公式Δ β = β - β F if 算出帆板B轴需要调整的角度△ β，其中β为帆板B轴转角计数器测量得到的角度值。所述步骤(2)中按照模拟太阳敏感器的测量值对帆板B轴进行控制是指，当前时 刻模拟太阳敏感器的测量值为太阳矢量和帆板法线的夹角，该夹角即为帆板B轴需要转动 的角度值，帆板B轴转动该角度值之后，使得帆板法线与太阳矢量平行。我国某型号卫星上首次在星上采用了双轴太阳帆板驱动机构，经过在轨测试表 明，应用了本发明算法后，帆板可以实时跟踪太阳，跟踪精度在10度以内，满足任务的指标 要求，有效地保障了卫星能源的供给。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法，所述卫星双轴帆板是指有两个转动自 由度的帆板，定义为帆板A轴和帆板B轴，其特征在于步骤如下(1)根据正常工作模式标志位判断当前时刻卫星是否处于正常工作模式，若处于正常 工作模式，则进入步骤(2)；若未处于正常工作模式，则进入步骤(3)；所述正常工作模式是 指卫星保持三轴稳定对地定向状态；(2)根据模拟太阳敏感器的输出判断模拟太阳敏感器是否存在故障，若存在故障，则根 据帆板B轴转角计数器输出量对帆板B轴进行控制，之后进入步骤(5)；若不存在故障，则 按照模拟太阳敏感器的测量值对帆板B轴进行控制，之后进入步骤(5)；所述模拟太阳敏感 器是安装在帆板上的测量太阳矢量和帆板法线夹角的测量敏感器，所述帆板B轴转角计数 器是计量帆板沿B轴转动的角度值的计数器；(3)根据对日定向模式标志位判断当前时刻卫星是否处于对日定向模式，若处于对日 定向模式，则进入步骤(4)；若未处于对日定向模式，则令帆板B轴保持不动，之后进入步骤 (5)；所述对日定向模式是指使卫星保持对日轴指向太阳矢量的状态，对日轴是指当帆板A 轴和B轴均处于0位时，即帆板A轴和B轴的转角均为0度时，帆板法线的指向，所述转角 是转角计数器的测量输出角度值；(4)判断帆板B轴是否处于0位，若处于0位，则令帆板B轴保持不动，之后进入步骤 (5)；若未处于0位，则令帆板B轴归零，之后进入步骤(5)；所述令帆板B轴归零是指令帆 板B轴向0位的方向转动直到转角为0 ；(5)根据双轴同时控制标志位判断帆板A轴和帆板B轴是否同时控制，若不是同时控 制，则进入步骤(6)；若是同时控制，计算帆板A轴控制输出量，进而控制帆板沿A轴转动；(6)判断帆板B轴是否为保持状态，若是保持状态，则计算帆板A轴控制输出量，进而控 制帆板沿A轴转动；若不是保持状态，则令帆板A轴保持不动。
2.根据权利要求1所述的一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法，其特征在于 所述步骤(2)中根据帆板B轴转角计数器输出量对帆板B轴进行控制按照如下步骤进行(a)通过公式βF = acsin (Soy)计算帆板B轴理论转角β F ；其中S。y为太阳矢量在卫 星轨道坐标系下Y轴的分量；(b)根据步骤(a)中计算得到的帆板B轴理论转角βΡ，由公式Δβ =计算出 帆板B轴需要调整的角度△ β，其中β为帆板B轴转角计数器测量得到的角度值。
3.根据权利要求1所述的一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法，其特征在于 所述步骤(2)中按照模拟太阳敏感器的测量值对帆板B轴进行控制是指，当前时刻模拟太 阳敏感器的测量值为太阳矢量和帆板法线的夹角，该夹角即为帆板B轴需要转动的角度 值，帆板B轴转动该角度值之后，使得帆板法线与太阳矢量平行。
全文摘要
一种非太阳同步轨道卫星双轴帆板控制方法，双轴帆板是指拥有两个转动自由度，且两个转动轴可以独立控制工作的太阳帆板构型。双轴帆板控制方法包括了双轴帆板中每个单轴帆板的控制方法，以及帆板双轴联合工作时的实现方法。在帆板单轴控制方法中主要设计了帆板在卫星不同工作方式下的测量方式和转动策略。而在双轴联合工作方法中规定了每个单轴的工作次序，及轮换逻辑。在卫星上双轴帆板控制方法的运用，解决了非太阳同步轨道卫星必须常常进行姿态机动才能使帆板跟踪太阳的不便。根据本方法控制帆板转动就能在轨令卫星实时跟踪太阳，既保证了卫星上能源的供给，又满足了卫星对地定向三轴稳定的需求。
文档编号G05D1/10GK102004492SQ201010509198
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者张笃周, 朱琦, 杨鸣, 柯旗, 袁利, 魏春岭 申请人:北京控制工程研究所