一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法
【專利摘要】一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，在衛(wèi)星的-Z面上布局4個(gè)成一定幾何關(guān)系的太陽(yáng)電池片。然后通過(guò)規(guī)一化電流值的大小確定衛(wèi)星初始轉(zhuǎn)動(dòng)方向，控制衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)并在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中持續(xù)根據(jù)規(guī)一化電流值的大小調(diào)整衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，讓衛(wèi)星的-Z軸始終向著太陽(yáng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)3個(gè)或4個(gè)電池片的規(guī)一化電流大于給定檻值時(shí)，確定出衛(wèi)星的實(shí)測(cè)姿態(tài)。當(dāng)實(shí)測(cè)姿態(tài)滿足條件時(shí)，利用陀螺角速度對(duì)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)估，并利用實(shí)測(cè)姿態(tài)進(jìn)行修正得到預(yù)估姿態(tài)，當(dāng)實(shí)測(cè)姿態(tài)不滿足條件時(shí)，直接使用實(shí)測(cè)姿態(tài)更新預(yù)估姿態(tài)，最后通過(guò)預(yù)估姿態(tài)得到衛(wèi)星對(duì)日定向所需的控制量，經(jīng)閉環(huán)控制后達(dá)到對(duì)太陽(yáng)定向和跟蹤的目的。采用本發(fā)明方法能夠快速的捕獲太陽(yáng)并穩(wěn)定跟蹤。
【專利說(shuō)明】—種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間飛行器姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種空間飛行器對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行捕獲的方法，特別是一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的測(cè)量電流對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行搜索和捕獲的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)捕獲，就是控制處于空間任何方向上的航天器利用特定敏感器搜索太陽(yáng)，當(dāng)搜索到太陽(yáng)后控制航天器上的某個(gè)方向指向太陽(yáng)的過(guò)程。
[0003]目前衛(wèi)星常用的太陽(yáng)捕獲方法分兩類，一類是已知太陽(yáng)目標(biāo)矢量位置坐標(biāo)和當(dāng)前姿態(tài)信息。例如，利用星敏感器進(jìn)行太陽(yáng)捕獲屬于這一類，特點(diǎn)是在整個(gè)捕獲過(guò)程中當(dāng)前姿態(tài)信息能夠連續(xù)獲得。專利號(hào)為CN201010509204.X，名稱為”一種衛(wèi)星初入軌段的初始太陽(yáng)捕獲方法”的專利所公開(kāi)的技術(shù)方案即屬于這一類，這種方法的不足之處在于必需使用星敏感器這類具有全天球定姿能力的測(cè)量部件提供衛(wèi)星當(dāng)前的慣性姿態(tài)，捕獲太陽(yáng)時(shí)需要預(yù)先知道太陽(yáng)的準(zhǔn)確位置，因此在星上需要計(jì)算太陽(yáng)星歷；另一類則是太陽(yáng)目標(biāo)矢量和當(dāng)前姿態(tài)信息未知，只有當(dāng)航天器按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)，讓太陽(yáng)敏感器看到太陽(yáng)后才有相應(yīng)的姿態(tài)信息，獲得姿態(tài)信息后最終控制航天器指向太陽(yáng)。專利號(hào)為CN201210063567.4，名稱為”高軌道衛(wèi)星大初始角速率情況的無(wú)陀螺太陽(yáng)捕獲控制方法”的專利所公開(kāi)的技術(shù)方案即屬于這一類。該方法主要是陀螺故障情況下的太陽(yáng)捕獲方法，在進(jìn)行太陽(yáng)搜索時(shí)衛(wèi)星先繞俯仰軸按照0.5° /s的角速度旋轉(zhuǎn)，720秒后太陽(yáng)敏感器仍然不可見(jiàn)則切換為繞滾動(dòng)軸按照
0.5° /s的角速度旋轉(zhuǎn)，800秒后仍然不成功則重新搜索。其不足之處在于當(dāng)太陽(yáng)與俯仰軸平行時(shí)，繞俯仰軸不能搜索到太陽(yáng)，需經(jīng)過(guò)至少720秒切換搜索方向后才能搜索到太陽(yáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用多個(gè)太陽(yáng)電池片快速搜索到太陽(yáng)，并能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)指向穩(wěn)定控制的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，步驟如下:
[0006]( I)在衛(wèi)星-Z面上布局4個(gè)太陽(yáng)電池片，每個(gè)太陽(yáng)電池片在衛(wèi)星-Z面布局時(shí)，應(yīng)保證每個(gè)太陽(yáng)電池片沿感光面法線方向上無(wú)障礙物遮擋，4個(gè)太陽(yáng)電池片的法線方向與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系-Z面的法線方向的夾角相同且均為β，其中I號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的+X軸夾角為90° -β、2號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的+Y軸夾角為90° _β、3號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的-X軸夾角為90° _β、4號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的-Y軸夾角為90° -β ；
[0007](2)依次讀取每個(gè)太陽(yáng)電池片的電流值，進(jìn)行歸一化處理后得到歸一化電流Ii, i=l, 2，3，4 ;然后再對(duì)Ii的真實(shí)性進(jìn)行判斷，在真實(shí)的情況下則保留Ii的當(dāng)前值，如果不真實(shí)則將Ii設(shè)置為O ;
[0008]所述歸一化處理的方法是將太陽(yáng)電池片每個(gè)周期實(shí)測(cè)電流值除以該太陽(yáng)電池片在I個(gè)太陽(yáng)常數(shù)下正面垂直照射太陽(yáng)電池片所產(chǎn)生的最大電流值；
[0009]電流真實(shí)性的判斷依據(jù)為電流值滿足關(guān)系Ii) ε >0，則認(rèn)為電流Ii是真實(shí)有效的，ε為給定的閾值；
[0010](3)利用歸一化電流確定初始搜索方向，若max (I1, I2, I3, I4) < ε，則控制衛(wèi)星繞其本體坐標(biāo)系的Y軸按照目標(biāo)角速度《yb勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保持X軸和Z軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，直至某個(gè)電流采集周期獲取的Ii滿足max (I1, I2, I3, I4)≥ε后進(jìn)入步驟(4);若max (I1, I2, I3, I4)ε，則按照最大規(guī)一化電流值所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池片所在位置確定衛(wèi)星初始轉(zhuǎn)動(dòng)方向，具體如下:
[0011]若I1=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，則控制衛(wèi)星繞Y軸按照目標(biāo)角速度《yb=-cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；若I2=Maxd1, I2, I3, Ι4)> ε，則控制X軸按照目標(biāo)角速度Qxb=COb進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；若I3=Kiaxd1, I2, I3, I4) > ε，則控制Y軸按照目標(biāo)角速度《yb=cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；若I4=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，則控制X軸按照目標(biāo)角速度《xb=-cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的正負(fù)按照旋轉(zhuǎn)軸右手系確定，前面的負(fù)號(hào)表不反向轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0012](4)采集4個(gè)太陽(yáng)電池片的電流信息并根據(jù)歸一化電流最大值調(diào)整衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，若I1=Hiax (I1, I2, I3, I4) > ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞Y軸按照目標(biāo)角速度0_=-(^進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，X軸和Z軸的目標(biāo)角速度coxb、Cozb設(shè)置為0° /s ;若I2=Hiaxd1, 12，13，Ι4)> ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞X軸按照目標(biāo)角速度《xb=cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，Y軸和Z軸的目標(biāo)角速度coyb、cozb設(shè)置為
O。/s I3axd1, I2, I3, I4) > ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞Y軸按照目標(biāo)角速度oyb=cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，X軸和Z軸的目標(biāo)角速度coxb、COzb設(shè)置為0° /s ;若I4=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞X軸按照目標(biāo)角速度行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，Y軸和Z軸的目標(biāo)角速度coyb、cozb設(shè)置為 O。/s ；
[0013]調(diào)整完成后，繼續(xù)判斷I1, I2, I3, I4四個(gè)規(guī)一化電流值的大小，如果同時(shí)有3個(gè)或者4個(gè)規(guī)一化電流值滿足Ii) ε，則清除衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，停止衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)，并設(shè)置目標(biāo)角速度coxb、coyb、cozb為0° /s，轉(zhuǎn)入步驟(5)，否則保持當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，直至滿足條件后進(jìn)入步驟(5)；
[0014](5)采集4個(gè)太陽(yáng)電池片的電流信息并歸一化處理，利用歸一化電流計(jì)算衛(wèi)星的
^5
滾動(dòng)角和俯仰角Θ，其中爐
【權(quán)利要求】
1.一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，其特征在于步驟如下: (1)在衛(wèi)星-Z面上布局4個(gè)太陽(yáng)電池片，每個(gè)太陽(yáng)電池片在衛(wèi)星-Z面布局時(shí)，應(yīng)保證每個(gè)太陽(yáng)電池片沿感光面法線方向上無(wú)障礙物遮擋，4個(gè)太陽(yáng)電池片的法線方向與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系-Z面的法線方向的夾角相同且均為β，其中I號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的+X軸夾角為90° -β、2號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的+Y軸夾角為90° -β、3號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的-X軸夾角為90° -β、4號(hào)太陽(yáng)電池片法線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的-Y軸夾角為90° -β ; (2)依次讀取每個(gè)太陽(yáng)電池片的電流值，進(jìn)行歸一化處理后得到歸一化電流Ii, i=l, 2，3，4 ;然后再對(duì)Ii的真實(shí)性進(jìn)行判斷，在真實(shí)的情況下則保留Ii的當(dāng)前值，如果不真實(shí)則將Ii設(shè)置為O ; 所述歸一化處理的方法是將太陽(yáng)電池片每個(gè)周期實(shí)測(cè)電流值除以該太陽(yáng)電池片在I個(gè)太陽(yáng)常數(shù)下正面垂直照射太陽(yáng)電池片所產(chǎn)生的最大電流值； 電流真實(shí)性的判斷依據(jù)為電流值滿足關(guān)系?ρεΧ)，則認(rèn)為電流Ii是真實(shí)有效的，ε為給定的閾值； (3)利用歸一化電流確定初始搜索方向，若max(I1, I2, I3, I4) < ε，則控制衛(wèi)星繞其本體坐標(biāo)系的Y軸按照目標(biāo)角速度ω yb勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保持X軸和Z軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，直至某個(gè)電流采集周期獲取的Ii滿足max (I1, 12，13，I4)≥ε后進(jìn)入步驟(4);若max (I1, 12，13，I4)≥ε，則按照最大規(guī)一化電流值所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池片所在位置確定衛(wèi)星初始轉(zhuǎn)動(dòng)方向，具體如下: 若I1=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，則控制衛(wèi)星繞Y軸按照目標(biāo)角速度《yb=-cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；若I2=Hiaxd1, I2, I3, Ι4)> ε，則控制X軸按照目標(biāo)角速度COxb=COb進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；若I3=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，則控制Y軸按照目標(biāo)角速度《yb=cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；若I4=Hiaxd1, I2, I3, I4) > ε，則控制X軸按照目標(biāo)角速度《xb=-cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)軸保持穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)；為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的正負(fù)按照旋轉(zhuǎn)軸右手系確定，前面的負(fù)號(hào)表不反向轉(zhuǎn)動(dòng)； (4)采集4個(gè)太陽(yáng)電池片的電流信息并根據(jù)歸一化電流最大值調(diào)整衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，若I1=Hiax (I1, I2, I3, I4) > ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞Y軸按照目標(biāo)角速度《_=-(^進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，X軸和Z軸的目標(biāo)角速度coxb、Cozb設(shè)置為O° /s ;若I2=Hiaxd1, 12，13，Ι4)> ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞X軸按照目標(biāo)角速度《xb=cob進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，Y軸和Z軸的目標(biāo)角速度coyb、cozb設(shè)置為0° /s ;若I3=Hiaxai, I2, I3, I4) > ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞Y軸按照目標(biāo)角速度《_=(^進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，X軸和Z軸的目標(biāo)角速度coxb、Cozb設(shè)置為0° /s ;若I4=Hiaxd1, 12，13，Ι4)> ε，則調(diào)整衛(wèi)星繞X軸按照目標(biāo)角速度行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，Y軸和Z軸的目標(biāo)角速度coyb、cozb設(shè)置為O。/s ； 調(diào)整完成后，繼續(xù)判斷I1, I2, I3, I4四個(gè)規(guī)一化電流值的大小，如果同時(shí)有3個(gè)或者4個(gè)規(guī)一化電流值滿足Ii) ε，則清除衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，停止衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)，并設(shè)置目標(biāo)角速度《xb、coyb、cozb為O。/s，轉(zhuǎn)入步驟(5)，否則保持當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，直至滿足條件后進(jìn)入步驟(5)； (5)采集4個(gè)太陽(yáng)電池片的電流信息并歸一化處理，利用歸一化電流計(jì)算衛(wèi)星的滾動(dòng)角和俯仰角Θ，其中滬= Ian l^f,汐=—ta丨I ，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，其特征在于:所述β的取值范圍在30°~60°之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，其特征在于:所述ω,的取值范圍在0.3° /s~0.5° /s之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，其特征在于:所述Lmt的取值范圍在3°~5。之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，其特征在于:所述的 Kdx、Kdy, Kpx, Kpy 滿足關(guān)系式 Kdx>5Kpx，Kdy>5Kpy。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多個(gè)太陽(yáng)電池片的太陽(yáng)捕獲方法，其特征在于:所述ε的取值范圍在0.15~0.25之間。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK103472846SQ201310372774
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】林波, 曾海波, 武云麗, 范煒, 徐忠賓, 沈莎莎, 吳小明, 劉江, 杜建偉, 周中澤, 梁鶴, 彭坤 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所