航天器二维太阳敏感器量测的方法

摘要

本发明提供了一种航天器二维太阳敏感器量测的方法，包括：用四片电池片L1、L2、L3、L4组成金子塔型的航天器二维太阳敏感器，并定义航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ；在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第一图形表示太阳矢量RsA与航天器二维太阳敏感器的四片电池片的空间关系；根据第一图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第二图形表示航天器二维太阳敏感器的每片电池片法线和太阳矢量RsA的边角关系；根据第二图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系下推导每片电池片的电流与两个角度的定量关系，根据所述定量关系确定所述两个角度。本发明能够提高量测太阳矢量方向的精度。

权利要求

1.一种航天器二维太阳敏感器量测的方法，其特征在于，包括：步骤一，用四片电池片L1、L2、L3、L4组成金子塔型的航天器二维太阳敏感器，并定义航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ；

步骤二，在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第一图形表示太阳矢量RsA与航天器二维太阳敏感器的四片电池片的空间关系；

步骤三，根据第一图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第二图形表示航天器二维太阳敏感器的每片电池片法线和太阳矢量RsA的边角关系；

步骤四，根据第二图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系下推导每片电池片的电流与两个角度的定量关系，根据所述定量关系确定所述两个角度，其中，所述两个角度分别为太阳矢量在ZOY平面上的投影与Z轴的夹角 、太阳矢量在ZOX平面上的投影与Z轴的夹角；

步骤三包括：

用AB、AC、AP、AQ分别表示电池片L1、L2、L3、L4的法线，则面ABC即为其法平面，，则AE是太阳矢量在法平面ABC上的投影，面ABC在面ZOY上，面PAQ在面ZOX上，RsG 面APQ，则AG为太阳矢量在面PAQ上的投影，F为BC的中点，则AF在Z轴上，，为每片电池片L1、L2、L3、L4分别与金子塔型的航天器二维太阳敏感器的底面的夹角， ；

步骤四包括：

设太阳矢量 ，通过每片电池片输出电流的大小确定 ，， ， ， ，  ，

其中，i1、i2、i3、i4分别为每片电池片L1、L2、L3、L4输出的电流， 1、 2、 3、 4分别为太阳矢量和每片电池片法线的夹角，S是每片电池片的面积，K是比例系数；

根据 ，  得到如下公式（1）和（2）：                 (1)                 (2)；

由余弦公式得到公式（3）：

       (3)；

由 ，设 ，得到公式（4）：

          (4)；

由公式(3)和(4)推导出 ，由于每片电池片L1、L2、L3、L4分别与金子塔型的航天器二维太阳敏感器的底面的夹角 已知，得到：      (5)，

根据公式(5)式得到： ，与EF的求法同理，得到 ；

由于 ，得到 ，      (6)

                          (7)；

由(1)和(2)式得到：  ，  ，将 ， 代入公式（6）和（7），得到公式（8）和（9）：             (8)，

             (9)，

根据公式（8）和（9）得到太阳矢量在ZOY平面上的投影与Z轴的夹角 、太阳矢量在ZOX平面上的投影与Z轴的夹角 。

说明书

航天器二维太阳敏感器量测的方法

技术领域

[0001] 本发明本发明涉及太阳敏感器测量技术，尤其是一种航天器二维太阳敏感器量测的方法。

背景技术

[0002] 各种近地航天器和深空探测器发展迅速，测量太阳矢量与航天器本体或太阳电池阵的位置关系是必不可少的环节，直接影响航天器在轨能源的获取。因此针对太阳敏感器的合理测量方法至关重要，复杂程度影响工程实现，测量精度直接影响能源获取效果。目前，大多数航天器均配置太阳敏感器，以量测太阳矢量与航天器本体或者太阳电池阵的定量关系，其主要功能为：有效获取能源和全姿态捕获过程中的定位功能。

[0003] 目前在轨航天器为有效获取能源和全姿态捕获过程中定量量测太阳矢量方位，其比较成熟的测量方法主要有以下两种：

[0004] 1.如图1所示，以两片电池片的太阳敏感器为例，两片电池片具有一定构型，通过两片电池片的受照强弱差异确定太阳矢量的位置，其测量公式为 ，a为标定系数，为测量角度，同理确定另一维的测量角度，通过两个测量角度确定太阳矢量方位；

[0005] 2.如图2所示，以具有四片同等大小电池片的太阳敏感器为例，四片电池片位于同一平面且在“盒子”底部，通过四片电池片的受照面积大小差异确定太阳矢量的位置，其测量公式为 ，b为标定系数，为测量角度，同理确定另一维的测量角度，通过两个测量角度确定太阳矢量方位。

[0006] 以上两种成熟的太阳敏感器测量方法广泛应用于航天器测量技术中。第一种方法所用到的太阳敏感器体积较小，视场范围大，适合安装在太阳电池阵上或用于全姿态捕获过程中的对日定向；第二种方法所用到的太阳敏感器体积较大，视场范围小，适合安装在较大的航天器上。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种航天器二维太阳敏感器量测的方法，能够提高量测太阳矢量方向的精度。

[0008] 为解决上述问题，本发明提供一种航天器二维太阳敏感器量测的方法，包括：

[0009] 步骤一，用四片电池片L1、L2、L3、L4组成金子塔型的航天器二维太阳敏感器，并定义航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ；

[0010] 步骤二，在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第一图形表示太阳矢量RsA与航天器二维太阳敏感器的四片电池片的空间关系；

[0011] 步骤三，根据第一图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第二图形表示航天器二维太阳敏感器的每片电池片法线和太阳矢量RsA的边角关系；

[0012] 步骤四，根据第二图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系下推导每片电池片的电流与两个角度的定量关系，根据所述定量关系确定所述两个角度，其中，所述两个角度分别为太阳矢量在ZOY平面上的投影与Z轴的夹角 、太阳矢量在ZOX平面上的投影与Z轴的夹角

[0013] 进一步的，在上述方法中，步骤三包括：

[0014] 用AB、AC、AP、AQ分别表示电池片L1、L2、L3、L4的法线，则面ABC即为其法平面，，则AE是太阳矢量在法平面ABC上的投影，面ABC在面ZOY上，面PAQ在面ZOX上，RsG 面APQ，则AG为太阳矢量在面PAQ上的投影，F为BC的中点，则AF在Z轴上，，为每片电池片L1、L2、L3、L4分别与金子塔型的航天器二维太阳敏感器的底面的夹角， 。

[0015] 进一步的，在上述方法中，步骤四包括：

[0016] 设太阳矢量 ，通过每片电池片输出电流的大小确定 ，， ， ， ，  ，
其中，i1、i2、i3、i4分别为每片电池片L1、L2、L3、L4输出的电流， 1、 2、 3、 4分别为太阳矢量和每片电池片法线的夹角，S是每片电池片的面积，K是比例系数；

[0017] 根据 ，  得到如下公式（1）和（2）：

[0018]                  (1)

[0019]                  (2)；

[0020] 由余弦公式得到公式（3）：

[0021]        (3)；

[0022] 由 ，设 ，得到公式（4）：

[0023]           (4)；

[0024] 由公式(3)和(4)推导出 ，由于每片电池片L1、L2、L3、L4分别与金子塔型的航天器二维太阳敏感器的底面的夹角 已知，得到：

[0025]

[0026]

[0027]       (5)，

[0028] 根据公式(5)式得到： ，与EF的求法同理，得到 ；

[0029] 由于 ，得到 ，      (6)

[0030]                           (7)；

[0031] 由(1)和(2)式得到：  ， ，将 ， 代入公式（6）和（7），得到公式（8）和（9）：

[0032]              (8)，

[0033]              (9)，

[0034] 根据公式（8）和（9）得到太阳矢量在ZOY平面上的投影与Z轴的夹角 、太阳矢量在ZOX平面上的投影与Z轴的夹角 。

[0035] 与现有技术相比，本发明通过用四片电池片L1、L2、L3、L4组成金子塔型的航天器二维太阳敏感器，并定义航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ；在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第一图形表示太阳矢量RsA与航天器二维太阳敏感器的四片电池片的空间关系；根据第一图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第二图形表示航天器二维太阳敏感器的每片电池片法线和太阳矢量RsA的边角关系；根据第二图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系下推导每片电池片的电流与两个角度的定量关系，根据所述定量关系确定所述两个角度，其中，所述两个角度分别为太阳矢量在ZOY平面上的投影与Z轴的夹角 、太阳矢量在ZOX平面上的投影与Z轴的夹角 , 能够提高量测太阳矢量方向的精度，方法简单，易于实现，适用于近地航天器和深空探测器。

附图说明

[0036] 图1是现有的一定构型的几片电池片与太阳光的关系图；

[0037] 图2是现有的同等大小电池片与太阳光的关系图；

[0038] 图3是本发明一实施例的二维太阳敏感器量测坐标系图；

[0039] 图4是图1的二维太阳敏感器的金字塔型电池片法线和太阳矢量的边角关系示意图。

具体实施方式

[0040] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0041] 如图3和4所示，本发明提供一种航天器二维太阳敏感器量测的方法，包括：

[0042] 步骤S1，如图3所示，用四片电池片L1、L2、L3、L4组成金子塔型的航天器二维太阳敏感器，并定义航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ；

[0043] 步骤S2，在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第一图形即图3表示太阳矢量RsA与航天器二维太阳敏感器的四片电池片的空间关系；

[0044] 步骤S3，根据第一图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系XYZ下，用第二图形即图4表示航天器二维太阳敏感器的每片电池片法线和太阳矢量RsA的边角关系；具体的，图4中用AB、AC、AP、AQ分别表示电池片L1、L2、L3、L4的法线，则面ABC即为其法平面，，则AE是太阳矢量在法平面ABC上的投影，面ABC在面ZOY上，面PAQ在面ZOX上，RsG 面APQ，则AG为太阳矢量在面PAQ上的投影，F为BC的中点，则AF在Z轴上，，为每片电池片L1、L2、L3、L4分别与金子塔型的航天器二维太阳敏感器的底面的夹角， ；

[0045] 步骤S4，根据第二图形在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系下推导每片电池片的电流与两个角度的定量关系，根据所述定量关系确定所述两个角度，其中，所述两个角度分别为太阳矢量在ZOY平面上的投影与Z轴的夹角 、太阳矢量在ZOX平面上的投影与Z轴的夹角 ，通过所述两个角度即可描述太阳矢量在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系中的方向。具体的，航天器二维太阳敏感器的每片电池片受光照可以在闭环回路产生电流，每片电池片的电流的大小和太阳矢量与航天器二维太阳敏感器的每片电池片平面夹角有明确的定量关系，四片电池片在太阳敏感器量测坐标系下的位置可以定量描述，由两个定量关系通过推导得到太阳矢量方向与每片电池片的电流定量关系。

[0046] 优选的，步骤S4包括：

[0047] 步骤S41，设太阳矢量 ，通过每片电池片输出电流的大小确定 ，， ， ， ，  ，其
中，i1、i2、i3、i4分别为每片电池片L1、L2、L3、L4输出的电流， 1、 2、 3、 4分别为太阳矢量和每片电池片法线的夹角；具体的，太阳光与每片电池片的法线夹角不同，造成输出电流不同，每片电池片输出的电流有下式的关系：  ，其中， 是太阳矢量和每片电池片法线的夹角，S是每片电池片的面积，K是比例系数；

[0048] 步骤S42，根据 ，  得到如下公式（1）和（2）：

[0049]                  (1)

[0050]                  (2)；

[0051] 步骤S43，由余弦公式得到公式（3）：

[0052]        (3)；

[0053] 步骤S44，由 ，设 ，得到公式（4）：

[0054]           (4)；

[0055] 步骤S45，由公式(3)和(4)推导出 ，由于每片电池片L1、L2、L3、L4分别与金子塔型的航天器二维太阳敏感器的底面的夹角 已知，得到：

[0056]

[0057]

[0058]       (5)，

[0059] 根据公式(5)式得到： ，与EF的求法同理，得到 ；

[0060] 步骤S46，由于 ，得到 ，  (6)

[0061]                           (7)

[0062] 步骤S47，由(1)和(2)式得到：  ，  ，代入（6）（7）两式，得到公式（8）和（9）：

[0063]               (8)

[0064]               (9)，

[0065] 根据公式（8）和（9）得到太阳矢量在ZOY平面上的投影与Z轴的夹角 、太阳矢量在ZOX平面上的投影与Z轴的夹角 ，通过 和 即可描述太阳矢量在航天器二维太阳敏感器的量测坐标系中的方向。

[0066] 综上所述，本发明根据太阳敏感器的特殊构型和测量二维角度的需求，能够较精确的描述出太阳矢量的方向，方法简单，易于实现，适用于近地航天器和深空探测器。

[0067] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0068] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

[0069] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。