地球靜止軌道遙感衛(wèi)星相機太陽規(guī)避設計.pdf

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1、201j年4月第2期中國空間科學技術ChineseSpaceScienceandTechnology地球靜止軌道遙感衛(wèi)星相機太陽規(guī)避設計彭洲李振松喬國棟劉新彥(北京控制1二程研究所．北京100190)摘要地球靜止軌道成像式遙感衛(wèi)星的光學成像相機在軌工作期間需要避免陽光的照射，針對現(xiàn)有滾動軸姿態(tài)機動算法存在規(guī)避開始時初始角速度過大的問題．提出一種改進的滾動軸機動太陽規(guī)避算法。該算法在規(guī)避開始與結束時，設計一定的規(guī)避角度余量，將建立機動初始狀態(tài)的過程由達到規(guī)避角度的瞬間延伸到角度余量區(qū)間中，延長建立初始狀態(tài)的時間，減小初始角速度。系統(tǒng)數(shù)學仿真和測試驗證證明該算法簡單可靠，在開始規(guī)避時，

2、初始角速度由0．2(。)／s減小到0．014(。)／s，整個規(guī)避過程平穩(wěn)，具有良好的工程應用價值。關鍵詞光學成像相機；太陽規(guī)避；姿態(tài)機動；角度規(guī)避余量；遙感衛(wèi)星I)()I：10．3780／i．issn．1000—7j8X．2015．02．0081引言地球靜止軌道成像式遙感衛(wèi)星的主載荷一般為光學成像相機，相機光軸方向沿衛(wèi)星本體+Z軸。地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道面與地球赤道面基本重合，如果衛(wèi)星在軌道上無偏置時，一年中，太陽或照射衛(wèi)星南側，或照射北側，在春、秋分時太陽幾乎處于軌道面內(nèi)。在衛(wèi)星星下點午夜前后，相機光軸方向與太陽矢量夾角比較小，如果不采取措施，太陽光可能射入相機視場，嚴重影響相機

3、的正常_T．作．岡此必須采取措施避免相機視場受太陽光照射。目前主要有j種規(guī)避方法：1)安裝遮光罩1。!。2)在相機上安裝熱門一?！?。衛(wèi)星正常軌道運行過程中，當太陽光線與相機光軸夾角小于要求的范同時，熱門關閉．過后熱門再打開。熱門為機械可動機構，存在失效風險。3)采用整星姿態(tài)機動的方式6”，主要包括=三種機動方式：衛(wèi)星三軸同時機動、僅對俯仰軸進行機動、僅對滾動軸進行機動。以上幾種方法中．方法1)僅能避免雜散光的影響，無法解決相機被太陽照射的問題。方法2)主要依靠相機A身的設計解決，對整星影響較小。但是增加了一個可動機構，這種可動機構需要進行大量的地面試驗．代價較大，一旦熱門失效會使載

4、荷不能完成任務．風險也較大。方法3)中，采崩三軸同時機動，機動過程平穩(wěn)，角速度較小，但是在不同季節(jié)，機動軸在本體系中不確定，需要采用四元數(shù)進行設計，設計過程復雜；如果進行大角度機動，在機動過程中。機動的角度會出現(xiàn)正負變化，操作較復雜；采用俯仰軸機動，機動過程中姿態(tài)角速度很小，但是在規(guī)避結束后需要進行反向恢復性運動，恢復過程耗時較長，相機光軸會瞬時受曬；采用滾動軸機動，機動軸在本體中是確定的，只需根據(jù)太陽矢量在本體系中的分量進行滾動偏置角的計算，滿足太陽矢量和本體+z軸夾角小于要求的規(guī)避角即可，但是在開始陽光規(guī)避時，可能角速度較大。收稿日期：20I卜05i9。收修改稿日期：20I41

5、126i!主國窒囹型堂墊查：!!i生!旦比較以上的幾種方法會發(fā)現(xiàn)，選擇單獨采用滾動軸機動的算法將更可靠，算法設計簡單，只需要改進機動算法，解決開始時角速度較大的問題，是一種最適用的方法。本文的研究重點是改進滾動軸機動算法，利用規(guī)避開始與結束時規(guī)避角度的余量設計，提出一種改進的滾動軸機動太陽規(guī)避算法。該算法將建立初始機動狀態(tài)的過程由到達規(guī)避角度的瞬間延伸到角度余量區(qū)間中，增加建立初始狀態(tài)的時間，最終減小初始角速度，能有效解決初始角速度過大、衛(wèi)星姿態(tài)不平穩(wěn)的問題。該算法對于采用動量輪作為執(zhí)行機構的零動量衛(wèi)星具有良好的工程應用前景。2采用衛(wèi)星滾動姿態(tài)機動實現(xiàn)相機太陽規(guī)避的設計符號定義如下

6、：[S。，S。，S?！?，[S。，S。。S。：】7分別表示太陽矢量在軌道坐標系下和衛(wèi)星本體系下的矢量；口為相機要求的太陽規(guī)避角；仇為滾動姿態(tài)偏置角。2．1基本滾動姿態(tài)機動太陽規(guī)避算法相機的光軸方向與衛(wèi)星本體系+z軸方向重合，如果衛(wèi)星處于正常運行模式，姿態(tài)無偏置，理論上【S，。S。S。?！?。和【shS。，S。：】。重合，當太陽矢量與其在軌道坐標系的分量S。：的夾角小于a時，則要進行滾動姿態(tài)機動，偏置角為9。；當夾角大于口時，‰為0。(1)Sb：一一sinq’b·Sw+cos％·S。(2)當Sb：一COSt2時，即一sin％·S。+cos％·S。一COSO：(3)就可以滿足相機太陽規(guī)避

7、要求。由式(3)可得滾動姿態(tài)偏置角：Pb一伽+arccos(cosa／~／s≥+S，e。)(4)式中po一一arctan(S?／s)。通過求導得出姿態(tài)機動的角速度為參。一叢銎壘三竺竺立坐墜生∞戍(5)~／s：。+s乏一COS2a(s：。+s乏)式中09。為地球靜止軌道角速率，CO。蘭7．292×10rad／s。春秋分點時，‰最大，此時S。。圭0，機動的角速度為易。一≤竺竺蘭墨L(6)~／s丕一COS2aS。當剛開始進行規(guī)避時，S。一C080t，由式(6)可知，在規(guī)避開