[发明专利]一种用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法

说明书

本发明提供了一种用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法：(1)、根据卫星基本构型和太阳翼安装方向，确定惯性空间观测卫星本体坐标系和固定对日面；(2)、基于固定对日面，进行姿态控制算法设计，在保证观测所需的观测指向和观测覆盖的前提下，使单次观测过程中太阳矢量与帆板安装轴垂直面的夹角最小；(3)、基于姿态控制算法设计结果，针对太阳矢量的变化规律，设计太阳翼跟踪算法，使整星在观测全程中获得能量最大；(4)、判断观测全程卫星所获得的是否足能源设计要求，是，则结束，否则，重新执行步骤(1)～(4)。本发明可为卫星系统提供极好的太阳电池片受照条件，降低卫星能源系统设计难度，确保整星能源供应。

技术领域

本发明涉及一种用于惯性空间观测卫星的能源保障设计方法，卫星姿态模式和单轴太阳翼控制方案设计，适用于各种轨道、多种惯性定向姿态需求的卫星总体设计，尤其适合对遍布宇宙空间的惯性天体源进行长期观测的空间天文卫星的总体设计。

背景技术

卫星能源保障设计是指通过卫星总体方案设计(如轨道、工作模式等)为卫星电源系统提供良好的设计条件，多指在轨长期运行时太阳电池片的太阳光入射条件，应尽量保障太阳光与太阳电池片法线在一定角度范围内，且角度越小能源系统的效率越高。

目前太阳电池片多是通过太阳翼安装于卫星上，也有部分卫星使用星体表面贴片的方式安装。太阳翼有刚性板式、刚性异形以及柔性等多种类型，驱动方式有固定翼、单轴驱动以及双轴驱动。其中控制较为简单、太阳电池片面积利用率较高、使用较灵活的是单轴驱动的刚性板式太阳翼，这也是目前国内外卫星最常用的太阳翼及其驱动控制形式。

卫星总体的能源保障条件设计主要包括：卫星轨道设计、卫星姿态控制模式设计以及太阳翼安装和控制策略设计。通常几个方面高度耦合，而轨道设计和卫星姿态需求又与任务需求密切相关，通常是能源设计条件的决定性因素。

卫星轨道主要包括：太阳同步轨道、地球同步轨道以及倾斜轨道等。为实现太阳帆板法线对太阳矢量的跟踪，目前绝大部分卫星在卫星姿态控制方式上采用对日定向、对地定向、动态偏航，在太阳翼安装和驱动上采用：偏置安装、单轴驱动、双轴驱动等方式。

对于有地面指向需求的任务，如对地遥感、通信、导航等，影响卫星总体能源保障设计的主要是运行轨道的特性：

1)使用太阳同步轨道的任务，主要是对地遥感任务。太阳同步轨道的太阳入射角变化范围很小(通常在10°左右)，根据降交点地方时的不同(正午轨道或晨昏轨道)，太阳入射角的平均值不同，选择太阳帆板保持在轨道面内或垂直轨道面进行实时太阳跟踪控制方式来确保能源，而卫星星体则保持对地定向三轴稳定姿态。

2)使用地球同步轨道的任务，主要是通信和导航GEO任务。轨道太阳入射角最大不超过23.5°，太阳帆板垂直轨道面进行实时太阳跟踪控制来确保能源，卫星星体保持对地定向三轴稳定姿态。

3)使用倾斜轨道的任务，如导航IGSO、MEO任务以及部分通信和对地遥感任务。轨道太阳入射角变化范围很大，通常采用卫星对地定向动态偏航跟踪+单轴帆板跟踪(IGSO、MEO)或卫星对地定向三轴稳定+双轴帆板跟踪的方式来确保能源。

4)任务期间因轨道回访周期变化而导致太阳同步轨道降交点变化的(轨道倾角不变)，如分平时和战时轨道的太阳同步轨道对地遥感的任务。平时和战时轨道太阳入射角的均值会有一定变化，采用单轴帆板偏置安装+实时太阳帆板跟踪的方式来确保能源。

对于无长期严格指向需求的任务，如飞船、深空探测等任务，通常在不同的任务期间采用对日定向、对地定向、对地偏航等不同的姿态控制方式来确保能源。