[发明专利]一种航天器多星敏感器布局优化设计方法

说明书

本发明公开了一种航天器多星敏感器布局优化设计方法，(1)确定由地球公转、自转引起的太阳光直射点赤纬、赤经的变化范围，定义星敏光轴矢量，建立太阳光约束表达式；(2)解析卫星椭圆轨道与地球相对位置关系，确定卫星在运行至近地点时星敏感器光轴方向与星地连线之间的夹角，建立地气光约束表达式；(3)用圆锥体集合描述星敏感器遮光罩内部以星敏感器为起点的射线，将卫星中立方体部件及圆柱体部件用集合形式描述，通过解析表达式描述星敏感器遮光罩圆锥范围内的射线不被遮挡；(4)构造多星敏感器布局的优化问题指标函数，获得多星敏感器最优指向，确定多星敏感器最优布局。

技术领域

本发明涉及一种航天器多星敏感器布局优化设计方法，属于卫星总体设计领域。

背景技术

星敏感器作为卫星最重要的姿态确定器件，其构型布局是卫星结构总体设计的重要内容。随着卫星技术的飞跃式发展，卫星的轨道、平台、任务越来越多样化，不同轨道、不同平台的新研卫星越来越多，星上安装的大型部件如太阳翼、天线、相机也越来越多、卫星星敏感器的布局约束也越来越复杂。

传统的布局流程为构型设计师依靠经验给出布局角度和简单的视场分析，轨道和姿态控制设计师对其进行仿真并将仿真结果反馈给布局设计师，若布局设计不满足姿轨控要求则修改布局方案，多轮迭代形成最终星敏感器的布局方案。此方法设计链路较长，对构型布局设计师的工作经验要求较高，不容易快速找到星敏感器布局的可用空间和最优角度，对任务需求差异的适应性差，不适用于未来新轨道新任务的航天器星敏感器布局工作。

发明内容

本发明的技术解决问题：本发明提出了一种航天器多星敏感器布局优化设计方法，将航天器多星敏感器布局问题描述成标准的优化问题，从而通过量化计算获得多星敏感器最优布局方案，以解决传统星敏感器布局问题对设计师经验过分依赖及设计链路较长的问题。

本发明的技术解决方案：

一种航天器多星敏感器布局优化设计方法，具体步骤为：

(1)确定由地球公转、自转引起的太阳光直射点赤纬、赤经的变化范围，定义星敏光轴矢量，建立太阳光约束表达式；

(2)解析卫星椭圆轨道与地球相对位置关系，确定卫星在运行至近地点时星敏感器光轴方向与星地连线之间的夹角，并通过约束保证该夹角能够满足星敏感器布局要求，建立地气光约束表达式；

(3)用圆锥体集合描述星敏感器遮光罩内部以星敏感器为起点的射线，将卫星中立方体部件及圆柱体部件用集合形式描述，通过解析表达式描述星敏感器遮光罩圆锥范围内的射线不被遮挡；

(4)结合太阳光约束表达式、地气光约束表达式和星体及其他部件约束的解析表达式，构造多星敏感器布局的优化问题指标函数，获得多星敏感器最优指向，确定多星敏感器最优布局。

太阳光约束的解析描述方法为：根据卫星的轨道根数将太阳光单位矢量从地心第一赤道坐标系转换到卫星本体坐标系，由地球绕太阳公转、自转规律，确定卫星在轨运行过程中太阳赤纬、赤经变化的范围，建立太阳光约束表达式以表示星敏感器光轴与太阳光矢量夹角大于遮光罩半锥角。

从地心第一赤道坐标系向卫星本体坐标系的转换关系为：

其中Ω表示卫星轨道的升交点赤经，i表示卫星轨道倾角，u表示卫星在轨道上所处的位置。[x y z]'为某点在卫星本体坐标系下的坐标，[x₁y₁ z₁]' 为该点在地心第一赤道坐标系下的坐标。

太阳单位矢量在地心第一坐标系中的坐标为

x_1s＝cosδ_s cosα_s