一种太阳电池定姿的皮卫星姿控闭环测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半物理仿真闭环测试系统及测试方法，用于皮卫星控制测试领 域。
【背景技术】
[0002] 皮卫星受体积重量限制同时对定姿精度要求不高，因此一种常见的定姿办法是不 设专门太阳敏感器件，依靠卫星表面贴装太阳电池片的输出电流来获得太阳矢量信息进行 姿态确定。
[0003] 传统的闭环测试方法为全物理仿真测试方法。具体的说，是将卫星放在在转台上， 采用平行光源照射太阳电池来进行闭环测试的。这种方法会大大影响太阳电池的寿命，成 本较高，不能满足卫星控制分系统闭环测试长期运行的要求。另外这种方法采用转台转动 的方式，可靠性差，使用不方便。
[0004] 本发明提出了一种太阳电池定姿的皮卫星姿控闭环测试方法，属于半物理仿真验 证方法，比纯数学仿真计算更加真实，同时不需要全物理试验苛刻的实验条件，兼具高保真 和经济性。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种太阳电池定姿的皮卫星 姿控闭环测试系统及测试方法，具有测试成本低，安全可靠，能够满足卫星控制分系统闭环 测试长期运行的要求。
[0006] 本发明技术解决方案：一种太阳电池定姿的皮卫星姿控闭环测试系统，包括动力 学仿真计算模块、角度与电流换算模块、太阳电池模拟器，其中：
[0007] 动力学仿真计算模块负责计算得出太阳矢量入射卫星太阳电池的角度。首先采集 卫星上执行机构信息，经过姿态动力学计算，计算出当前卫星姿态信息；然后根据卫星所在 轨道和当前卫星姿态信息，得到为太阳在卫星本体坐标系中的方位，即太阳矢量ξ。通过太 阳电池在卫星的安装信息得到太阳电池法线向量g。最后，根据公式COS沒= 计算出 太阳矢量入射卫星太阳电池的角度Θ。由于卫星具有若干个太阳电池，所以动力学仿真模 块同时进行多个太阳电池的运算。该模块可以配置不同太阳电池片安装信息包括太阳电池 片配置数量、太阳电池片安装位置、太阳电池片安装角度。
[0008] 角度与电流换算模块，将动力学仿真计算模块给出的太阳矢量入射卫星太阳电池 的角度通过查表得出太阳电池电流信息。太阳电池电流信息理论值1=Ιυ：Χ(3〇8θ，Θ为 太阳矢量入射卫星太阳电池的角度，Ιω为θ =〇°太阳电池输出的电流值，Ιω为常数。可 以通过真实物理实验给出参考值。通过所述公式计算不同入射角得到一组太阳电池电流的 理论值，经过真实物理实验数值进行修正后，将太阳矢量入射卫星太阳电池的角度对应的 太阳电池电流信息曲线表格化存储，供查表使用。
[0009] 角度与电流换算模块具备选择环境温度功能。该模块具有不同环境温度条件下的 太阳矢量入射太阳电池角度与太阳电池电流信息的曲线数据库。根据测试需要的环境温 度，角度与电流换算模块调用该数据库的曲线，进行角度与电流的查表操作。通过一组不同 的环境温度下的真实物理实验，得到与温度相关的太阳矢量入射卫星太阳电池角度与太阳 电池电流信息的一组曲线，并将曲线表格化存储，该组曲线在需要进行温度信息补偿时调 用。使用时可以设定不同的环境温度，程序根据设定的温度调用该温度相关的曲线，进行角 度与电流换算。
[0010] 太阳电池模拟器，根据太阳电池电流信息，控制太阳电池模拟器输出电流。太阳电 池模拟器设计有保护电流和保护电压，能够避免地面测试设备过流或过压导致的事故。太 阳电池模拟器有多个独立输出通道，可以根据需要选择若个个通道输出电流。
[0011] 一种太阳电池定姿的皮卫星姿控闭环测试方法，实现步骤如下：
[0012] (1)动力学仿真计算模块采集卫星执行机构信息，进行姿态动力学计算，计算出卫 星当前卫星姿态信息，并根据当前卫星轨道信息和若干个卫星太阳电池安装信息，计算得 出太阳矢量入射卫星太阳电池的角度；
[0013] (2)角度与电流换算模块将太阳矢量入射卫星太阳电池的角度通过查表法换算出 太阳电池电流信息；
[0014] (3)太阳电池模拟器根据太阳电池数量信息和太阳电池电流信息，模拟若干个太 阳电池输出电流。
[0015] (4)卫星电源分系统采集模拟器输出的电流，与数管计算机通讯，数管计算机根据 电流大小，算出此时的太阳矢量信息，进而根据太阳矢量进行定姿运算；数管计算机根据算 出的姿态信息，按照控制目标，控制卫星执行机构动作。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)传统全物理仿真测试采用平行光源照射真实的太阳电池，这种方法缩短了卫 星太阳电池的使用寿命，测试成本较高，不能满足卫星控制分系统闭环测试长期运行的要 求。本发明提出的方法针对太阳入射角度与电池电流转化关系进行了半物理仿真，不受真 实太阳电池使用寿命限制，具备长期测试能力，降低了测试成本和维护费用。
[0018] (2)全物理仿真闭环测试方法采用转台之类的转动部件，安全可靠性差。本发明提 出的测试系统及方法没有转台等转动部件，提高了测试的可靠性和安全性；
[0019] (3)本发明提出的测试方法基于全物理实验得出的入射角度和电池电流关系汇总 成数据库表，通过查表法，能够较好的模拟太阳矢量信息和太阳电池电流的关系，具有高保 真测试的特点。
[0020] (4)由于太阳电池输出的电流不仅与太阳入射的角度有关系，还有太阳电池本身 的环境温度有密切的关系，当温度越高太阳电池效率越低。改变环境温度，就对测试环境提 出了很高的要求，测试成本太高。本发明提出的半物理仿真测试方法，通过在角度与电流换 算模块调用不同环境温度下太阳矢量入射太阳电池角度与太阳电池电流曲线数据库的方 法，较好的模拟不同环境温度下太阳矢量和太阳电池电流的关系，满足各种温度条件下的 闭环测试，同时使得测试成本降低。
[0021] (5)本发明的仿真动力学计算模块可以配置不同的太阳电池法线向量:ζ，体现不 同太阳电池片安装信息包括太阳电池片数量、安装位置、太阳电池片安装角度。本发明可以 仿真不同的太阳电池片安装配置，为太阳电池定姿方法提供半物理仿真试验依据。
[0022] (6)本发明提出的测试方法采用已经广泛应用的太阳电池模拟器构建系统，不需 要专门定制，具有系统构建成本低，可以快速搭建的特点。
[0023] (7)本发明设计的系统针对太阳电池模拟器有保护电流和保护电压设计，能够避 免地面测试设备过流或过压导致的事故
【附图说明】
[0024] 图1是本发明提出的闭环测试系统各模块组成；
[0025] 图2是本发明提出的闭环测试方法的工作流程。
【具体实施方式】
[0026] 如图1所示，本发明提出的测试系统包含动力学仿真计算模块、角度与电流换算 模块、太阳电池模拟器等。
[0027] 动力学仿真计算模块负责计算得出太阳矢量入射卫星太阳电池的角度。首先 该模块采集卫星上执行机构信息，经过姿态动力学计算，计算出当前卫星姿态信息；然后 根据卫星所在轨道和当前卫星姿态信息，得到为太阳在卫星本体坐标系中的方位，即太 阳矢量；ξ。通过太阳电池在卫星的安装信息得到太阳电池法线向量S；。最后，根据公式
计算出太阳矢量入射卫星太阳电池的角度Θ。由于卫星具有若干个太阳电池， 所以动力学仿真模块同时进行多个太阳电池的运算。动力学仿真计算模块通过不同的太阳 电池法线向量可以体现不同太阳电池片安装信息包括太阳电池片安装位置、太阳电池 片安装角度。动力学仿真计算模块具体工作流程如下：
[0028] (1)太阳矢量入射卫星太阳电池的角度Θ，可以根据下面计算公式计算得出。
[0030] 式⑴中，f为太阳电池法线向量，:ζ为太阳在卫星本体坐标系中的方位。
[0031] (2)太阳电池法线向量
为已知量，根据太阳电池在卫星星体表面的安 装信息计算得出。
[0032] 太阳在卫星本体坐标系中的方位瓦计算公式为
[0034] 式（ii)中Abc](q)为轨道坐标系到卫星本体坐标系的姿态变换矩阵，即卫星姿态信 息。
[0035] (3.)某个时刻太阳在轨道坐标系的方位为
[0037] 式（iii)中，Sx。，Sy。，