用于卫星应急恢复的太阳电池阵转角估计方法_何益康.pdf
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1、第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:基金项目:国家自然科学基金();黑龙江省优秀青年基金();国家重点研发项目()资助课题通讯作者引用格式:何益康,张文瀚,王振华,等用于卫星应急恢复的太阳电池阵转角估计方法系统工程与电子技术,():,():用于卫星应急恢复的太阳电池阵转角估计方法何益康,张文瀚,王振华,何闻(浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室,浙江 杭州 ;上海航天控制技术研究所,上海 ;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江 哈尔滨 )摘要:在卫星应急恢复过程中,为了控制太阳电池阵的对日方位,需要确定太阳电池阵相对于
2、卫星本体的转动角度。为此,提出一种用于卫星应急恢复的太阳电池阵转角估计方法。首先,基于卫星本体坐标系和太阳电池阵坐标系的关系以及卫星的姿态运动学方程,给出了太阳电池阵转角的解析解。在太阳电池阵转角解析解的基础上,进一步提出一种基于卡尔曼滤波的估计方法,来抑制太阳敏感器测量噪声的影响、提高转角估计的准确性。通过数值仿真和某实际在轨卫星的遥测数据实验验证了所提方法的有效性和实用性。关键词:卫星应急恢复;太阳电池阵;姿态估计;卡尔曼滤波中图分类号:;文献标志码:,(.,;.,;.,):,:;引言卫星电源系统为卫星平台及载荷设备提供能源,是卫星不可或缺的重要组成部分。星上的供电方式主要分为蓄电池供电和
3、太阳电池阵供电两种。卫星在发射段、星箭分离、太阳电池阵展开、阴影区运行等过程中只能依靠蓄电池供电,但是蓄电池供电不能长时间维持,因此,在卫星的长期在轨运行过程中,太阳电池阵是卫星的主要电力来源 。卫星的太阳电池阵可以大致分为体装式和展开式两种 。体装式太阳电池阵布置在航天器表面,有球形体装式和柱形体装式等构型。体装式太阳电池阵受航天器表面 系统工程与电子技术第 卷积的限制,发电功率十分有限,因此主要在早期的卫星和一些微小卫星中使用。展开式太阳电池阵的一端安装在星体上,可以在卫星发射段收拢、在入轨后展开。展开式太阳电池阵是目前卫星采用的主流配置 。很多展开式太阳电池阵配备了太阳电池阵驱动组件,可
4、以驱动太阳电池阵的法线方向跟踪太阳矢量,尽量获得最佳的太阳入射条件,从而提高电能获取效率 。太阳电池阵作为卫星电源系统的关键设备,是卫星生存及可靠运行的基本保障,。一旦卫星出现异常,首要任务是控制卫星的姿态,使得太阳电池阵持续对日,从而确保卫星的能源,为后续故障处理、地面干预争取时间 。在对卫星实施对日指向控制前,需要先确定卫星的运动状态,尤其是太阳电池阵相对于太阳和星体的方位,否则可能会出现卫星的姿态调整使得太阳电池阵的法线方向偏离太阳入射矢量的问题,影响太阳电池阵光照条件。若蓄电池不可用,则会导致卫星异常状态进一步扩散。虽然具备驱动组件的展开式太阳电池阵与体装式电池阵相比,具有光照利用率高
5、、供电功率大等优点,但是在卫星发生在轨异常的情况下,太阳电池阵驱动组件的转动会增加卫星应急恢复的复杂性。一种比较严重的在轨异常情况是卫星蓄电池供电环节在太阳电池阵供电环境没有建立的条件下出现异常,卫星会瞬间掉电并失去联系。在这种情况下,只有等到太阳光照到太阳电池阵时,卫星才会重新上电,地面才会再次收到遥测信号。目前,太阳电池阵常采用步进电机驱动,转动角度采用步记法,在卫星掉电后无法确定太阳电池阵相对于卫星本体的转动角度。针对这一问题,最简单的方案是利用星敏感器给出卫星本体的姿态,然后再结合太阳电池阵上的太阳敏感器的输出确定太阳电池阵相对于星体的方位,但在卫星异常状态下,卫星处于非正常姿态,星敏
6、感器很可能难以提供可靠的测量信号。针对上述问题,本文提出了一种利用星载陀螺和太阳电池阵上的太阳敏感器的测量值确定太阳电池阵相对于星体方位 的 方 法。本 文 所 提 出 方 法 的 主 要 创 新 性 可 总 结如下:首先,据了解,目前尚没有在太阳电池阵转角零位失效的情况下可进行太阳电池阵转角估计的有效方法,本文利用星载陀螺和太阳敏感器的测量数据给出了太阳电池阵转角估计的一种解析形式。其次,考虑到太阳敏感器的测量精度不高,在转角解析估计值的基础上,本文提出了一种基于卡尔曼滤波的提高转角估计精度的算法。该算法能够有效提升太阳电池阵转动角度估计的准确性,为后续对日定向控制提供必要的信息基础。最后,
7、本文所提出的太阳电池阵转角估计方法只需要使用星载陀螺、太阳敏感器部件,以及简单的数学运算和卡尔曼滤波算法,硬件需求量小,算法复杂度低,易于工程应用。太阳电池阵转角估计问题在太阳电池阵转角估计中,主要涉及到两个坐标系:卫星本体坐标系和太阳电池阵坐标系。这两个坐标系的示意图如图所示。图卫星本体和太阳电池阵坐标系 卫星本 体 坐 标 系 和 太 阳 电 池 阵 坐 标 系 的 具 体 定 义如下:()卫星本体坐标系:该坐标系与卫星本体固连,原点位于卫星质心处,轴指向卫星的飞行方向,轴垂直指向地心,轴与轴和轴构成右手坐标系。()太阳电池阵坐标系:该坐标系与太阳电池阵固连,原点位于太阳电池阵和卫星的连接
8、点处,轴指向太阳电池阵贴片面法线方向,轴为太阳电池阵驱动轴,轴与轴和轴构成右手 坐标系。在卫星运行过程中,太阳电池阵会绕其驱动轴转动。在本文中,为了符号显示简单,假设太阳电池阵的驱动轴与卫星本体坐标系的轴重合(对于太阳电池阵的驱动轴与卫星本体坐标系的轴不重合的情况,由于太阳电池阵的安装方式是已知的,可以通过一个坐标变换得到本文所考虑的情况)。因此,太阳电池阵绕卫星本体坐标系的轴转动,如图所示,转动角度记为。图太阳电池阵转动角度示意图 在卫星应急恢复过程中,需要知道太阳电池阵的转动角,以便控制太阳电池阵的对日方位。假设在卫星应急恢复过程中,太阳电池阵的转角不变,即是常值。安装在太第期何益康等:用
9、于卫星应急恢复的太阳电池阵转角估计方法 阳电池阵上的太阳敏感器可以测量出太阳矢量在太阳电池阵坐标系下的位置()(为了符号简单,本文假设太阳敏感器与太阳电池阵的坐标系一致),星上的陀螺可以测量出卫星本体坐标系的角速度()。本文的目的是利用太阳敏感器和陀螺的测量值估计出太阳电池阵相对于卫星本体坐标系的转角。太阳电池阵转角估计的基本原理考虑到太阳 电 池 阵 绕 着 本 体 坐 标 系轴 转 动角度,故卫星本体坐标系和太阳电池阵坐标系下的太阳矢量之间会存在对应的转换关系。同时,不同时刻的太阳电池阵坐标系下的太阳矢量也会随着卫星本体姿态的相对运动存在转换关系,且这种转换关系可以通过卫星的姿态角速 度
10、反 映 出 来。考 虑 太 阳 电 池 阵 坐 标 系 下 的太阳矢量和卫星姿态角速度可测的情况,通过结合这两种转换关系,便可以实现对太阳电池阵转角的估计,这就是太阳电 池 阵 转 角 估 计 的 基 本 原 理。本 节 将 对 该 基本原理进行具体介绍。卫星本体坐标系下的太阳矢量记为(),太阳电池阵坐标系下的太阳矢量记为(),由于太阳电池阵相对卫星本体坐标系的轴转动,转动角度为,所以()和()满足如下关系()()()式中:是从卫星本体坐标系到太阳电池阵坐标系的旋转矩阵。()由于满足,因此式()还可以写成如下形式:()考虑到卫星的姿态运动,卫星本体坐标系下的太阳矢量()满足如下关系:()()(
11、)式中:是描述时间段内卫星姿态运动的方向余弦矩阵。根据式()可得()()()将式()代入式()可得()()()再将式()代入式(),可得时刻和时刻的太阳矢量()和()具有如下关系:()()()采用四元数描述卫星的姿态运动,可以将写成如下形式:()()()()()()()()式中:()是描述时间内卫星姿态转动的 四 元 数(是 四 元 数 的 标 部),满 足 归 一 化 条件()()。考虑到描述的是内卫星的相对姿态运动,故()满足如下的运动学方程:()()()()式中:()()()()是卫星本体坐标系在时刻的角速度;()是如下形式的矩阵。()()()()()()()()()()()()()()
12、由于式()描述的是相对姿态,所以其在时有:()()卫星本体的姿态角速度()可以由陀螺测得,因此对于给定的和时刻,可以利用式()式()计算出相对姿态运动矩阵()。在计算出后,式()就只剩太阳电池阵转角一个未知量,故可以根据式()求解太阳电池阵转角,这就是本文实现太阳电池阵转角估计的基本原理。太阳电池阵转角估计方法第节介绍了太阳电池阵转角估计的基本原理,即:基于卫星本体坐标系和太阳电池阵坐标系的关系、卫星的姿态运动学方程、卫星姿态角速度数据和太阳矢量数据构建出了式()中的等式关系,并利用该等式关系确定出太阳电池阵转角的解析解。但是,针对在实际工程应用中如何依据式()中的等式关系以及卫星姿态角速度数
13、据和太阳矢量数据来估计太阳电池阵转角,并没有做出详细介绍。因此,本节主要介绍基本原理的具体应用过程,即太阳电池阵转角估计方法。系统工程与电子技术第 卷考虑到在实际工程中,算法均为离散化实现,为了得到式()的离散时间形式,需要先将式()中的卫星姿态运动学方程离散化为如下形式:()()()()式中:为采样时间间隔。为了表达简便,略去 中的,将式()写成如下形式:()()()()另外,根据欧拉公式 可得()(?)()式中:,和(?)具有如下形式 ()()()()(?)?()()?()()?()()()()()()将式()代入式()可得()(?)()()即为卫星姿态运动学方程的离散传播形式。令()()
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