一种太阳矢量测量方法及其装置的制作方法

专利名称：一种太阳矢量测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量方法，具体地涉及一种太阳矢量测量方法及 其装置。
背景技术：
在航天器姿态控制过程中，主要使用太阳敏感器、星敏感器、磁 强计及陀螺等部件，其中太阳敏感器是航天器对日控制、太阳翼对曰 控制中使用的关键部件，对于保障航天器能源供应及可靠运行具有重 要作用。
太阳敏感器主要是用于测量太阳光线，在目前使用的太阳敏感器
中，主要有0-l太阳敏感器、数字太阳敏感器及小孔成像太阳敏感器 等。O-l太阳敏感器只给出几个大方向是否见太阳的测量信息，基本
没有角度测量精度要求；数字太阳敏感器通过窄缝光线照射在不同的
码道来测量太阳方向，角度测量范围一般在±64°之间，测量精度在 0.03°左右；小孔成像太阳敏感器则通过测量小孔成像图形来测量太 阳方向，角度范围及测量精度与数字太阳敏感器类似。总体来说，传 统的太阳敏感器测量的太阳光线的精度都比较低，这种精度仅能用于 对曰捕获及姿态控制精度要求不高的控制过程，对于高精度的姿态控 制，还需要星敏感器及高精度陀螺等其它设备协同完成测量太阳矢 量，虽然星敏感器实施的太阳矢量测量的精度比较高，精度可以达到 2-3角秒，但是星敏感器的结构比较复杂，所需要的成本比较高，设 计好的星敏感器也至少也得l-2公斤，这大大增加了星载设备的复杂 度。目前还没有这样一种结构简单，成本低廉却能达到同样技术效果 的太阳矢量测量装置。

发明内容
4本发明的目的是提供一种成本低廉、设计结构简单、测量精度高 并且测量范围宽的太阳矢量测量的装置。本发明的另 一发明目的是提 供一种简单的太阳矢量测量方法。
为了实现本发明目的，本发明技术方案为
一种太阳矢量测量方法，包括以下步骤
S1:设在空间放置iV个方向不同平板拼接在一起的立体结构，在这 M个平板平面上设置有太阳能电池片，其中3^M2JV，每个太阳电池
片的正负极分别连接到各自的负载电阻上；
S2:测量出每个平板平面的法向矢量为/ ,;0,i,mc),其中各 个平面的法向矢量由平板的结构构型决定，其中"l,…,M; S3:测量Af个电阻上的电压；
S4:根据M个电阻上的电压计算出每个平面上的太阳电池片的输
出功率(/UPw2, ...，&m);
S5:设太阳矢量^S。(cosa,cosAcos",利用各太阳能电池片的接
收功率值与各平面间的几何构形关系 & = S S, 51。cos a + w,2 cos A +附,3 cos力，以及利用太阳矢量空间角的 余弦平方和为l的条件，计算得到太阳光线矢量的幅值&和各方向角 余弦(cos a,cos々，cos y)，从而得出该立体结构的太阳矢量 ^5"o(cosa,cosy^,cos"。
所述步骤Sl中的iV个平面为3个或4个平面。
所述步骤S1中的M个平面为3个或4个平面。
该装置包括由W个平板拼接成的立体结构，以及安装在平板上的 M个太阳能电池片，其中所述的太阳电池片的正负极分别连接到各自 的负载电阻上，其中32M^JV。
所述W个平板是3个或4个。
所述M个平板是3个或4个。
所述的平板拼接结构是对称结构。
有益效果
本发明太阳矢量测量仪精度高可以达到1,2角秒，成本低(结构
简单，器件少，对器件要求不高)，重量轻(〈100g—一现设计为5cm x 5cmx 3cm = 75cm3，即便按纯铝实心立体的 一半来算75 x 2.7/2 = 101g,而实际重量会小于此值)。


图1为本发明在取平面个数M:3时的太阳矢量测量仪的几何结
构；
图2为本发明在取平面个数il^4时的太阳矢量测量仪的立体结构。
图中X:三维坐标轴中的X轴，Y:三维坐标轴中的Y轴，Z: 三维坐标轴中的Z轴，3:太阳矢量，"太阳矢量与X轴的夹角，-: 太阳矢量与y轴的夹角，k:太阳矢量与z轴的夹角，1:为平面AC0 的法向矢量，;为平面BCO的法向矢量，辽为平面ABC的法向矢 量,",、"2 、 w3 、 w4: 法向矢量。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 本发明的目的是这样实现的将若干块法向矢量不同的平面拼接 在一起，并在每个平面上安装一块太阳能电池片，由于安装在不同平 面上的太阳能电池片接收太阳能量的不同，利用各太阳能电池片的接 收功率值与各平面间的几何构形关系可以计算得到太阳光线矢量的 幅值和方位角，从而实现对太阳方向的测量。这种设计方法实际是利 用太阳光线矢量与接收太阳能量的太阳能电池片之间的光能关系实 现的太阳光线矢量测量。
设在空间中放置7V(a^3, iV为整数)个方向不同的平面，可以在 每个平面上贴上太阳能电池片，也可以在一部分平面上贴上电池片，
只要满足贴电池片的平面是三个以上即可。这里假设在7l^个平面上贴 上电池片，3SMSW，每个平面的法向矢量巧,-0,i,wc3)，(其中 ,^, 分别为矢量A在空间坐标系OXYZ下的坐标值，如图l、 2所 示，为保证计算基准相同，取^U/ = 1,2,...,M)的模值相同)其中 / = 1，...,M，同时设太阳矢量S^。(cosa,cosAcos"，(其中S。为太阳矢量的 幅值，cosa,cosAcosy为太阳矢量的空间角)，M个平面上的太阳能电池
片接收到的太阳能功率为(尸^尸w,...,尸v^),则有
4 = S 5, = iS0 (/wn cos a + m,2 cos々+附/3 cos " (1)
这里(尸W,尸w, ...， /^M)由包括太阳能电池片的光电转换电路测量
得到，m^W，…,M〃W，…，3)由平面几何结构决定，故式(l)中仅有So 和a,A^为未知量。根据cos2" + cos2" + cosV-l ，从式(l)中可求出S0 和空间角a,Ar，即获得了太阳矢量》。
下面根据附图给出三个平面和四个平面拼接成太阳矢量装置对 太阳矢量计算的具体描述。
如图l，设在空间中放置3个方向不同的平面，每个平面的法向
其中/ = 1,2,3 ，同时设太阳矢量 SKcx)sa，eo W"，每个平面上的太阳能电池片接收到的太阳能功
率为fPvv/,尸v^，尸w)，则有
i^, = S. g =5^ (mn cos a +附/2 cos / + m/3 cos (11)
<formula>formula see original document page 7</formula>设
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１３)
则有
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１４)
设M纟为M;的逆矩阵，并设
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１５)
则有
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１６)即
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１７)
又有cos2 a + cos2 yff + cos2 y = 1 ， 可得
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１８)
即
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１９) <formula>formula see original document page 9</formula>(19)
这里(P^P^,i^)由包括太阳能电池片的光电转换电路测量得到， 《'(/",2,3;7、l，2，3)由平面几何结构决定，故经计算可求出式(19)中 代入式(17)中可求出方向角，从而获得了太阳矢量S。 太阳矢量既可以釆用三个平面拼接的结构测量，也可以釆用四个 对称平面拼接测量获得，这时可以利用平面的对称性来简化计算。如 图2所示，设标有矢量方向的四个对称平面的法向矢量分别为 "i =On，0，w13) ， "2 =(0,w22,m23) , "3 =(—附u,0，附,3) ， "4 = (0,-附22，m23),有
Pwl = S & = S。(m^ cos a + m13 cos " <尸M =^'H2 =S。022cos/ + w23cos" (21) _Pw3 = S 53 = 5^(-附n cos a + w13 cos ^4 S。(_w22 cos 〃 + m23 cos "
利用上式的对称性可得出
證《广。/(2&附u) <COS/ = (H)/(2V722) (22) COS, = (Pwl + JPw3)/(2Vn13)
由cos2 a + cos2々+ cos2 ;r = 1 ， 可得 S0 = V(4 —尸")2《2 )2 + (4 —尺3)2 /(2附12)2 + (户"+ 4)2 /(2附13)2 (23)
实际上，太阳矢量的测量也可以由更多的平面拼接结构获得，这 样可以通过统计的方法得到优化的测量结果，降低测量误差，基本算 法的原理与三个平面和四个平面拼接的方法类似。
实现这样的测量方法的装置包括由iV个平板拼接成的立体结构， 以及安装在平板上的M个太阳能电池片，3SM^iV，其中每个太阳电 池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上。
这样的平板可以是铝合金等任何材质的，只要能够把太阳电池片 贴上即可。
对于四个平面拼接结构，其实施流程可归纳如下所述的八个步 骤，三个平面拼接结构或多个拼接平面的实现过程与其类似。
1) 按图3所示的结构加工平面，在图中指示法向矢量的四个平 面为有效利用平面；
2) 在这四个平面上贴太阳电池片；
3) 四个太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上；
4) 测量四个电阻上的电压；
5) 根据四个电阻上的电压、电压和功率之间的关系计算出太阳 电池片的输出功率；
6) 根据式(23)和(22)计算太阳矢量的模值So和方向余弦；
7) 输出太阳矢量5=S。 (cosa,cos;5,cos"。
本发明的太阳矢量测量装置，其测量范围是由太阳能电池片所能 接收到的光线范围决定的，是由拼接的形状和平面坡度决定的，不同 的拼接形状测量范围是不同的，但总体来说都能达到 一个较好的视角 范围，如果选用四个平面其坡度为1: 2，则测量范围为126度。
本发明太阳矢量测量仪精度高，测量精度仅受限于测量电压的 A/D转换位数的精度，若选用18bit的A/D转换器，测量范围在90 度时，则测量精度为90/218 =1.2角秒；且由于结构简单，所需器件 少，对器件要求不高，而降低了成本，假如设计成5cmx5cmx3cm =75cm3,选用纯销实心立体，按其一半来算75 x 2.7/2 = 101g，而实
际重量会小于此值。
权利要求
1.一种太阳矢量测量方法，其特征在于，包括以下步骤S1设在空间放置N个方向不同平板平面拼接在一起的立体结构，该立体结构取M个平板平面在其上设置有太阳能电池片，其中3≤M≤N，每个太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上；S2测量出每个平板平面的法向矢量为<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mover><mi>n</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>m</mi><mrow> <mi>i</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>m</mi><mrow> <mi>i</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>m</mi><mrow> <mi>i</mi> <mn>3</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2007101785767C00011.gif" wi="31" he="4" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中各个平面的法向矢量由平板的结构构型决定，其中i＝3，...，M；S3测量M个电阻上的电压；S4根据M个电阻上的电压计算出M个平面上的太阳电池片的输出功率(Pw1，Pw2，...，PwM)；S5设太阳矢量<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mover> <mi>S</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>=</mo><msub> <mi>S</mi> <mn>0</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>cos</mi> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>cos</mi> <mi>&beta;</mi> <mo>,</mo> <mi>cos</mi> <mi>&gamma;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2007101785767C00012.gif" wi="41" he="4" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->利用各太阳能电池片的接收功率值与各平面间的几何构形关系
2、 如权利要求l所述的太阳矢量测量方法，其特征在于，所述步 骤Sl中的iV个平面为3个或4个平面。
3、 如权利要求1或2所述的太阳矢量测量方法，其特征在于，所 述步骤S1中的M个平面为3个或4个平面。
4、 一种太阳矢量测量装置，其特征在于，该装置包括由7V个平板 拼接成的立体结构，以及安装在M个平板上的M个太阳能电池片，其 中所述的太阳电池片的正负极分别连接到各自的负载电阻上，其中
5、如权利要求4所述的太阳矢量测量装置，其特征在于，所述7V 个平板是3个或4个。
6、 如权利要求4或5所述的太阳矢量测量装置，其特征在于，所 述M个平板是3个或4个。
7、如权利要求4-6任一项所述的太阳矢量测量装置，其特征在 于，所述的平板拼接结构是对称结构。
全文摘要
本发明提供了一种太阳矢量测量方法及其装置，本发明采用若干个具有不同方向的平面组成一个立体结构、并在每个平面上安装太阳电池片，通过测量在不同平面内接收的太阳能功率，以及根据太阳能功率的测量值和各平面之间的相对几何关系，可以计算出太阳矢量的幅值和空间角，从而实现了太阳光线矢量的测量。
文档编号G01B11/00GK101182991SQ20071017857
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者兰盛昌, 雷 刑, 蕊 孙, 徐国栋, 曹星慧, 李冬柏, 董立珉, 丹 赵, 健 陈 申请人:徐国栋