一種晨昏太陽同步軌道衛(wèi)星太陽捕獲控制方法*

劉善伍 郭崇濱 高海云 王 俊

1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海200050 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

0 引言

磁測磁控衛(wèi)星由于其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低的特點，受到廣泛關(guān)注[1-4]，尤其是在衛(wèi)星入軌初期速率阻尼和姿態(tài)捕獲方面發(fā)揮著重要的作用。

目前，衛(wèi)星入軌或需要能源供給時基本采用多敏感器組合確定衛(wèi)星姿態(tài)，采用推力器或飛輪作為衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)進行姿態(tài)機動，使太陽帆板指向太陽，從而實現(xiàn)捕獲太陽。這種太陽捕獲方式資源要求多，對部組件的可靠性要求高，尤其在入軌時，衛(wèi)星能源有限，往往要求采用低功耗高可靠部件實現(xiàn)太陽捕獲，當前國內(nèi)外文獻中多見具有偏置動量輪輔助的磁控研究[5-7]，而純磁控的研究比較少見，文獻[8-10]的純磁控方法復(fù)雜，需要多敏感器確定姿態(tài)，成本高可靠性低，文獻[11]中的方法雖然只用太陽敏感器作為姿態(tài)敏感器，但執(zhí)行機構(gòu)需要采用推力器，可靠性低。

對于高功能密度的微納衛(wèi)星來講，由于體積、重量、功耗等限制，沒有更多的資源可利用，因此，采用高可靠極簡單的部組件實現(xiàn)太陽捕獲十分必要。本文以某型號衛(wèi)星為研究背景，提出一種工程適用的極簡配置的太陽捕獲新方法，該方法利用晨昏太陽同步軌道的特點，不依賴于其他敏感器和執(zhí)行機構(gòu)，僅采用磁強計與磁力矩器即可實現(xiàn)太陽捕獲。該方法簡單易行，工程成本極低，可靠性高。

1 衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型

對于多數(shù)衛(wèi)星，其動力學(xué)皆可簡化為剛體的動力學(xué)模型[12]，如式(1)所示。

(1)

式(1)中：

當衛(wèi)星上沒有角動量部件并忽略慣量積時，式(1)可簡化如下：

(2)

2 繞Y軸自旋的衛(wèi)星滾動和偏航通道在阻尼力矩下的穩(wěn)定性分析

滾動和偏航通道采用如下形式的負反饋阻尼力矩：

(3)

式(3)中φ為滾動角，ψ為偏航角，kdx,kdz為正的增益系數(shù)。

衛(wèi)星繞y軸自旋角速度為ωyr，在小角度假設(shè)下，將動力學(xué)模型式(2)中滾動和偏航通道用姿態(tài)表示如下：

(4)

滾動和偏航通道的特征方程為：

(5)

即：

a4s4+a3s3+a2s2+a1s+a0=0

(6)

根據(jù)勞茨判據(jù)，得出，當滿足如下條件時，滾動和偏航通道是穩(wěn)定的：

(7)

在本研究中，阻尼力矩采用磁控阻尼，由于磁控阻尼是三軸耦合的復(fù)雜控制過程，無法實現(xiàn)三軸控制解耦，但從能量角度和最終的控制目標看，其結(jié)果都是使能量衰減，達到減小角速度的目的，因此工程上采用磁控進行阻尼時，可獲得同樣的效果。

3 磁控太陽捕獲算法研究

3.1 磁控太陽捕獲控制系統(tǒng)組成

磁控太陽捕獲控制系統(tǒng)硬件包含三軸磁強計和三軸磁力矩器，軟件為磁控太陽捕獲控制算法，如圖1所示。

圖1 磁控太陽捕獲控制系統(tǒng)組成

3.2 晨昏軌道太陽捕獲期望姿態(tài)分析

晨昏太陽同步軌道太陽方位示意圖如圖2所示。

圖2 晨昏太陽同步軌道太陽方位示意圖

圖中：xoyozo為軌道坐標系，Vs為太陽矢量。

晨昏太陽同步軌道太陽矢量始終基本位于軌道-yo方向，因此將衛(wèi)星本體yb軸控制與yo軸重合，并將太陽帆板貼有太陽電池片的一面安裝指向-yb方向，即可實現(xiàn)太陽指向。換言之，將衛(wèi)星本體坐標系xbybzb相對于軌道坐標系xoyozo姿態(tài)的滾動角和偏航角控制趨于0，即可實現(xiàn)太陽電池陣法線基本指向太陽。因此，晨昏太陽同步軌道太陽捕獲姿態(tài)控制目標如式(8)所示。

(8)

式(8)中φc為期望的滾動角，θc為期望的俯仰角，ψc為期望的偏航角。

3.3 晨昏軌道太陽捕獲控制算法

按照第2節(jié)分析的結(jié)果，給衛(wèi)星yb軸施加自旋力矩，給滾動和偏航通道施加阻尼力矩即可實現(xiàn)式(8)的控制目標。

滾動-偏航通道施加磁控阻尼力矩，即衛(wèi)星yb軸磁矩Py按照如下方式產(chǎn)生：

(9)

俯仰通道施加自旋力矩，即xb和zb軸磁矩Px,Pz按照如下方式產(chǎn)生：

(10)

式(9)和式(10)中：Bx,By,Bz為三軸磁強計測得的衛(wèi)星本體坐標系下的磁場強度；P0為標稱磁矩；

Ty=kdy(ωyr-ωyc)為Y軸自旋力矩；

kdy為正的增益系數(shù)，ωyr為小于0的yb軸期望角速度，ωyc為測量獲得的Y軸角速度。由于沒有角速度測量部件，yb軸角速度可以通過磁強計測量的地磁場近似獲得：

4 仿真分析及在軌運行結(jié)果

以某型號衛(wèi)星為例，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星太陽捕獲控制仿真參數(shù)

按照上一節(jié)的磁控方法進行太陽捕獲控制仿真，仿真結(jié)果如圖3～5。從圖3中可以看到衛(wèi)星滾動和偏航軸很快完成速率阻尼，并且俯仰軸角速度起旋到期望的-2(°)/s；從圖4可以看到衛(wèi)星滾動角和偏航角逐漸收斂；同時圖5中太陽矢量和帆板法線夾角亦隨之逐漸收斂，最終實現(xiàn)了太陽捕獲。

該方法已經(jīng)成功應(yīng)用在中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的軟件定義衛(wèi)星(簡稱TZ-1)入軌太陽捕獲模式上，在軌實際遙測數(shù)據(jù)表明該方法獲得了滿意的效果。

圖3 磁控太陽捕獲三軸角速度

圖4 磁控太陽捕獲三軸姿態(tài)角

圖5 磁控太陽捕獲太陽矢量與帆板法線夾角

5 結(jié)語

研究了極簡配置晨昏太陽同步軌道上衛(wèi)星太陽捕獲方法，僅利用磁強計和磁力矩器即可實現(xiàn)，無需復(fù)雜昂貴的其他高精度敏感器和執(zhí)行機構(gòu)，尤其是該方法實施太陽捕獲可充分利用軌道特點，無需依賴太陽矢量測量，方法簡單可靠，工程適用價值高。另外，通過近似方式，充分利用三軸磁強計測量的磁矢量間接獲得衛(wèi)星角速度信息，省去了慣性測量部件。從仿真結(jié)果中可以看到，該方法是切實有效的，可以達到太陽捕獲的目的，因此，本文中所研究的方法簡單可靠，已成功在軌應(yīng)用，可推廣至其他工程航天器。