专利名称：一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解析确定方法
技术领域：
本发明涉及一种基于双矢量方位信息利用解析方法确定卫星帆板对日定向目标 姿态的方法，尤其是令相机有效利用地球反射辐照能的目标姿态确定方法。
背景技术：
为了在轨执行多种飞行任务，卫星需要建立多种工作姿态模式。一个典型的多姿 态飞行模式如图1所示，其中，卫星为了充电需要从轨道阴影区或成像区的对地定向工作 姿态调整到帆板对日充电姿态(帆板轴指向太阳)，并在北/南极轨道区间内保持这种充电 姿态。为了实现高精度、高稳定、快速的姿态控制，这类敏捷卫星通常采用固定帆板结构来 增强卫星的刚性。比如，Orbview-3和Geoeye-I采用了背着帆板的固定安装方式(帆板法 线与相机轴垂直，或成一个小倾角，如图2所示)。对该类卫星而言，其在轨道南/北极区 对日充电时具备了使相机轴指向地球圆盘的可能，若星载相机能很好地利用地球表面反射 的辐照能，就可以大大降低相机热控设计的难度，也赋予了卫星快速进入拍照状态的能力。 此外，由于满足帆板法线指向太阳和相机轴指向地球圆盘两个约束的目标姿态存在无数多 个，如何设计一个恰当的对日定向目标姿态值得研究。
发明内容
本发明的技术解决方案是通过找到令相机光轴指向地球圆盘合适方位的条件， 结合帆板法线对日指向要求，利用双矢量定姿的简单解析方法确定卫星帆板对日定向目标 姿态，为控制系统提供输入指令。本发明的技术解决方案的方法是一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向 目标姿态的解析确定方法，如图3所示，具体步骤详述如下(1)确定帆板法线在卫星本体系中的指向U1根据卫星构型设计所确定的帆板安装方位信息，计算帆板法线在卫星本体系中的 指向U10设帆板安装方位角为Azimuth1，俯仰角为EleVation1，则帆板法线在卫星本体系 中的坐标为
CosiAzimuthl) * cosQElevatior^)U1 - sm{Azimutl\) * Co^Elevationi)
Sm(Elevationl)(2)确定相机光轴在卫星本体系中的指向U2根据相机安装方位信息，计算相机光轴在卫星本体系中的指向U2。设相机安装方位角为Azimuth2，俯仰角为Elevation2，则相机光轴在卫星本体系 中的坐标为
(3)确定帆板法线在参考系中的指向V1由于转动完成后帆板将采取对日定向姿态，因此帆板法线的指向即为太阳方位矢 量。根据卫星轨道信息和太阳方位信息，计算太阳方位在参考系中的指向义。参考系取轨 道系。设太阳在J2000惯性系中的坐标为Vsm」，轨道系相对惯性系的单位姿态矩阵为 Atji，则可求得力为V1 = Vsuno = Hi(4)确定相机光轴在参考系中的指向V2令相机光轴的目标指向为相机光轴与地表相交的交线的中点，可以保证相机光 轴指向不脱离地球圆盘，且具有很好的地球热辐照条件。记相机光轴在参考系中的指向为 V2，具体指向可根据相机安装信息、太阳方位信息、卫星轨道信息和姿态信息加以计算。参 考系取轨道系。已知星日矢量和星地矢量在轨道系中的坐标分别为Vsatsim = V1Vsatjarth =
为保证相机具有最有效利用地球辐照能的能力，应使相机光轴矢量位于由Vsat sun 和Vsatjart所组成的平面内。且相机光轴与Vsat Sun的夹角固定为(ElevationfElevatiorg。 其数学表达式如下 符合该条件的矢量方向在由Vsat sun和Vsat E th所组成的平面内共有两个，选择和 VSaat—夹角较小的那一个。该矢量方向在轨道系中的坐标即为\。(5)计算卫星帆板对日定向的目标姿态利用步骤(1) (4)中确定的U” U2, \、V2，采用双矢量定姿方法，确定出卫星帆 板对日定向的目标姿态参数。双矢量定姿方法如下已知帆板法线与相机光轴在卫星本体系中的坐标分别为UpU2，在参考系中的坐标
分别为Vp V2，且两轴线并不平行，则有 D V1XV2 由此可求出卫星本体系相对于参考系的单位姿态矩阵如下Abo =MRMTS此即为卫星对日定向的目标姿态参数。
本发明与现有技术相比的有益效果为(1)充电同时有效利用地球辐照确保整个充电过程中相机光轴不脱离地球圆盘，使得相机能够在冷空间很好地利 用地球反射的辐照热能，有助于降低相机热控设计难度，使得相机能够快速进入工作状态。(2)算法简单实时性好 完全解析算法，计算量小，适合在线实时计算。
图1为典型的多姿态飞行模式，包括了轨道阴影区和成像区内的对地定向工作姿 态模式和轨道南/北极区的对日定向工作姿态模式。图2为Geoeye-I卫星的构型示意图，其+ζ轴定义为相机光轴，_y轴方向上安装 了 6片固定链接而成的帆板。图3为本发明方法的流程图。
具体实施例方式实施例帆板对日定向目标姿态的确定考虑一颗在691km轨道高处、降交点地方时为10:30的太阳同步轨道上运行的商 业敏捷卫星，其构型设计方案类似于图2所示的法国Geoeye-I卫星。该星需要在轨道南 /北极区充电期间内实时确定出卫星帆板对日定向目标姿态，并保证相机光轴指向地球圆 盘。该星一个轨道周期上的典型飞行任务如图1所示，包括4个不同的轨道区间，其姿态机 动方式如下(1)从D点到A点的北极对日定向区间，持续时间约为17分钟。在此区间内卫星 采用对日惯性定向姿态方式运行，D点为卫星在轨出地影点；(2)从A点到B点的对地成像区间，持续时间约为24分钟。在此区间卫星采用一 定的对地定向姿态方式运行；(3)从B点到C点的南极对日定向区间，持续时间约为23分钟。在此区间内卫星 采用对日惯性定向姿态方式运行，C点为卫星在轨进地影点；(4)从C点到D点的地影区间，持续时间约为34分钟。在此区间卫星采用相机光 轴指向地心的严格对地定向姿态方式运行。假设仿真起始时间为2010年03月22日00 45 55，该起始时间为卫星在轨出地 影点(D点)，卫星在初始时刻的姿态为严格对地定向。设alpha = 68°。太阳方向矢量在 惯性系内的坐标为Vsuni=
具体的数学描述如下1)北极对日定向区域卫星在D点处由地影区对地定向姿态转为北极区对日定向姿态。(1)确定帆板法线在卫星本体系中的指向U1根据实施例条件，帆板法线沿卫星_y方向，即安装方位角Azimuth1 = -90°，安装 俯仰角Elevation1 = 0° ,因此帆板法线矢量在卫星本体系中的坐标为[ (2)确定相机光轴在卫星本体系中的指向U2根据实施例的条件，其在卫星本体系中的坐标为根据实施例的条件，相机光轴沿卫星+ζ方向，其安装方位角Azimuth2 = 0°，安装 俯仰角Elevati0n2 = 90°，其在卫星本体系中的坐标为 (3)确定帆板法线在轨道系中的指向V1 根据卫星轨道信息，可求得在D点处轨道系相对于J2000惯性系的单位转换矩阵 Atji，并计算出太阳光方向在惯性系中的矢量坐标Vsm」。由于在一个轨道周期内太阳方位在 惯性系中的变化十分缓慢，可认为其保持不变。则可计算出在D点，帆板法线目标指向义在 轨道系下的坐标为V1 = Vsuno = Voi*VSun」=
(4)确定相机光轴在轨道系中的指向V2为了满足相机光轴矢量的指向要求，V2在轨道系中的坐标应符合以下条件a.帆板法线矢量V1、相机光轴矢量V2与地心矢量
应处于同一平面内；b. V1 与 V2 夹角为 90° ；c. V2与地心矢量
的夹角小于地心与地表的夹角alpha。上述条件的数学表达式为
‘F2x^=F2X
< F2 = Cos90° F2*
>cos(a//7/za)由此，可确定V2的值。V2 = Vcamera。= [-0. 3865 0. 1916 0. 9022](5)计算卫星对日定向的目标姿态利用步骤(1) (4)中确定的U” U2, V1, V2，采用双矢量定姿方法，可确定出卫星 在D点完成对日定向姿态机动后，卫星本体系相对于轨道系的单位姿态矩阵为
“0.4442 0.8960 -0.0000"Aho = -0.8083 0.4007 -0.4314
-0.3865 0.1916 0.9022此即为卫星在北极区对日定向的目标姿态参数。2)南极对日定向区域卫星在B点处由成像区对地定向姿态转为南极区对日定向姿态。(1)确定帆板法线在卫星本体系中的指向U1U1 = VSBb =
(2)确定相机光轴在卫星本体系中的指向U2U2 = Vcamerab=
(3)确定帆板法线在轨道系中的指向V1
根据卫星轨道信息，可求得在B点处轨道系相对于J2000惯性系的单位转换矩阵Aoi，并计算出太阳光方向在惯性系中的矢量坐标Vsm」。可计算出在B点，帆板法线的目标 指向V1在轨道系下的坐标为V1 = Vsuno = Voi*VSun」= [-0. 4780 -0. 4007 -0. 7817]τ(4)确定相机光轴在轨道系中的指向V2可确定在B点处，V2的值为V2 = Vsensor。=
τ(5)计算卫星对日定向的目标姿态利用步骤(1) (4)中确定的U” U2, V1, V2，采用双矢量定姿方法，可确定出卫星 在B点完成对日定向姿态机动后，卫星本体系相对于轨道系的单位姿态矩阵为 此即为卫星在南极区对日定向的目标姿态参数。也就是说，卫星采用上述计算方法，可以完成帆板对日定向目标姿态的确定任务。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求
一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解析确定方法，其特征在于通过找到令相机光轴指向地球圆盘合适方位的条件，结合帆板法线对日指向要求，利用双矢量定姿的简单解析方法确定卫星帆板对日定向目标姿态，具体步骤如下(1)确定帆板法线在卫星本体系中的指向U1；(2)确定相机光轴在卫星本体系中的指向U2；(3)确定帆板法线在参考系中的指向V1；(4)确定相机光轴在参考系中的指向V2；(5)计算卫星帆板对日定向的目标姿态。
2.如权利要求1所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于根据卫星构型设计所确定的帆板安装方位信息，计算帆板法线在 卫星本体系中的指向^。
3.如权利要求2所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于帆板法线在卫星本体系中的指向仏的计算表达式为 其中Azimuth为帆板安装方位角，Elevati0ni为帆板俯仰角。
4.如权利要求1所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于根据相机安装方位信息，计算相机光轴在卫星本体系中的指向U2。
5.如权利要求4所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于相机光轴在卫星本体系中的指向U2的计算表达式为 其中Azimuth2为相机安装方位角，Elevation为相机俯仰角。
6.如权利要求1所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于根据卫星轨道信息和太阳方位信息，计算帆板法线在参考系中的 指向V”
7.如权利要求6所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于帆板法线在参考系中的指向义的计算表达式为 >Vi = VSun 0 = Aoi * VSun i其中A。,为轨道系相对惯性系的单位姿态矩阵，Vsun i为太阳在J2000惯性系中的坐标。
8.如权利要求1所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于根据相机安装信息、太阳方位信息、卫星轨道信息和姿态信息，计 算相机光轴在参考系中的指向V2。
9.如权利要求8所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于根据数学表达式 计算相机光轴在参考系中的指向v2，符合该条件的矢量方向在由VSatSm*VSatE th所组 成的平面内共有两个，选择*vSat Earth夹角较小的那一个，vSat Sun为卫星-太阳矢量(星日 矢量)，VSat Earth为卫星-地心矢量(星地矢量)，Elevation!为帆板俯仰角，Elevatior^为 相机俯仰角。
10.如权利要求1所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的解 析确定方法，其特征在于利用步骤⑴ ⑷中确定的、队^力，采用双矢量定姿方法， 确定出卫星帆板对日定向的目标姿态参数。
11.如权利要求10所述的一种有效利用地球辐照能的卫星帆板对日定向目标姿态的 解析确定方法，其特征在于双矢量定姿方法如下已知帆板法线与相机光轴在卫星本体系中的坐标分别为Ui、U2，在参考系中的坐标分别 为\、\，且两轴线并不平行，则有 由此可求出卫星本体系相对于参考系的单位姿态矩阵如下 此即为卫星对日定向的目标姿态参数。
全文摘要
一种基于双矢量方位信息利用解析方法确定卫星帆板对日定向目标姿态的方法，尤其是令相机有效利用地球反射辐照能的目标姿态确定方法。通过找到令相机光轴指向地球圆盘合适方位的条件，结合帆板法线对日指向要求，利用双矢量定姿的简单解析方法确定卫星帆板对日定向目标姿态，为控制系统提供输入指令。确保整个充电过程中相机光轴不脱离地球圆盘，使得相机能够在冷空间很好地利用地球反射的辐照热能，有助于降低相机热控设计难度，使得相机能够快速进入工作状态。完全解析算法，计算量小，适合在线实时计算。
文档编号G01C21/20GK101858747SQ20101013262
公开日2010年10月13日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者杨芳, 阎诚, 黄琳 申请人:航天东方红卫星有限公司