太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，基于衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間雜散光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系間的矢量模型，分析出雜散光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的矢量關(guān)系，通過(guò)建立雜散光邊界曲線數(shù)學(xué)方程，解算出不受雜散光影響區(qū)域；通過(guò)邊界曲線夾角關(guān)系，確定三個(gè)星敏感器可工作工況以及安裝指向范圍及方程，并得出為抑制雜散光星敏感器遮光罩設(shè)計(jì)最大太陽(yáng)光、地氣光遮蔽角之間關(guān)系；同時(shí)提出各種工況條件下不受雜光影響區(qū)域不滿足雙星敏安裝時(shí)，在單一工況下至少有兩個(gè)星敏可工作的星敏安裝指向最優(yōu)方案。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：為星敏感器避免雜散光影響進(jìn)行安裝指向及設(shè)計(jì)提供了一種有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的設(shè)計(jì)方案。
【專利說(shuō)明】
太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感 器安裝指向設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 星敏感器作為航天器姿態(tài)測(cè)量器件，以恒星作為姿態(tài)測(cè)量參考基準(zhǔn)，與其它衛(wèi)星 姿態(tài)敏感器件(太陽(yáng)敏感器、陀螺、磁強(qiáng)計(jì)等)相比具有精度高、無(wú)漂移、功耗低，并且輸出絕 對(duì)姿態(tài)信息的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的姿態(tài)敏感器。在衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程中，星敏感器有可能 受到太陽(yáng)光或地氣光的干擾，使星敏感器的像面背景噪聲提高，影響星點(diǎn)提取的準(zhǔn)確性，甚 至星點(diǎn)會(huì)被淹沒(méi)在背景雜光中，導(dǎo)致星敏感器無(wú)法正常工作。因此，星敏感器的抗雜散光問(wèn) 題是目前星敏感器研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
[0003] 在星敏感器雜散光抑制方面，一方面可以通過(guò)設(shè)計(jì)星敏感器光學(xué)鏡頭、遮光罩結(jié) 構(gòu)或改變遮光罩內(nèi)壁涂層材料提高星敏感器自身的抗雜散光性能，另一方面可以通過(guò)分析 和優(yōu)化星敏感器在衛(wèi)星上的安裝位置來(lái)盡量避免雜散光對(duì)星敏感器的影響。相比于單視 場(chǎng)、雙視場(chǎng)星敏感器，三視場(chǎng)星敏感器具有可測(cè)視場(chǎng)角大、精度及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。為提高 星敏感器性能，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)多視場(chǎng)星敏感器進(jìn)行了大量研究，如法國(guó)S0DERN公司研發(fā) 了HYDRA三視場(chǎng)星敏感器，并進(jìn)行了商業(yè)化；日本三菱電機(jī)公司研發(fā)了SIS三視場(chǎng)星敏感器， 并進(jìn)行了實(shí)際在軌應(yīng)用。由于太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器運(yùn)行與軌道高度、降交點(diǎn) 地方時(shí)、衛(wèi)星工況等條件有關(guān)，各種工況條件下航天器不受雜散光影響區(qū)域十分有限，為使 三視場(chǎng)星敏感器在各種工況條件下正常工作，其在航天器上安裝條件十分苛刻，甚至無(wú)法 實(shí)現(xiàn)。為此，為保證姿態(tài)測(cè)量精度，至少保證有兩個(gè)星敏感器可在任何工況下正常工作，第 三星敏感器在特定工況條件下使用。三視場(chǎng)星敏感器在測(cè)量精度及可靠性方面具有明顯優(yōu) 勢(shì)，是星敏感器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。
[0004] 在星敏感器安裝指向方法研究方面，有許多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用提出了設(shè)計(jì)方 法，其中，針對(duì)衛(wèi)星多種工況姿態(tài)條件，2010年航天東方紅公司提出了基于任務(wù)規(guī)劃的星敏 感器安裝角度確定方法可以解決敏捷機(jī)動(dòng)工況下給定星敏感器安裝指向問(wèn)題，但該方法通 過(guò)不斷調(diào)整星敏感器的安裝角度和工況條件確定出合適的星敏感器安裝角度，設(shè)計(jì)方法十 分復(fù)雜，同時(shí)不能給出在不同安裝指向條件下星敏感器遮光罩最大太陽(yáng)光、地氣光遮蔽角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問(wèn)題之一。
[0006] 為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指 向設(shè)計(jì)方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例公開了一種太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感 器安裝指向設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：S1:設(shè)置太陽(yáng)同步軌道參數(shù)、衛(wèi)星參數(shù)、STK軟件中 HP0P阻力模型參數(shù);S2:在STK軟件中進(jìn)行HP0P仿真，確定衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光與衛(wèi)星 本體坐標(biāo)系三軸矢量夾角，其中，對(duì)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，Z軸指向地心，X軸為衛(wèi)星前進(jìn)方向， Y軸由右手定則確定，a為太陽(yáng)光與X軸夾角，0為太陽(yáng)光與Y軸夾角，y為太陽(yáng)光與Z軸夾角； S3:根據(jù)地球半徑、大氣層高度計(jì)算確定地氣光與衛(wèi)星本體邊界夾角；S4:根據(jù)所述衛(wèi)星在 軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸矢量夾角，確定所述衛(wèi)星在無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，太陽(yáng) 光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程;根據(jù)所述地氣光與衛(wèi)星本體邊界夾角確定所述衛(wèi)星 在無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，地氣光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程;S5:設(shè)置衛(wèi)星機(jī)動(dòng)狀態(tài)下最大 側(cè)擺角和俯仰角，根據(jù)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣確定所述衛(wèi)星在不同機(jī)動(dòng)狀態(tài)下太陽(yáng)光、地氣光相 對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界曲線數(shù)學(xué)方程，以及各種工況條件下衛(wèi)星本體坐標(biāo)系不受雜光影響 區(qū)域;S6:判斷各種工況條件下不受雜光影響區(qū)域能否滿足雙星敏安裝，如可以，根據(jù)方程 x +z =、所述衛(wèi)星在各種工況狀態(tài)下，太陽(yáng)光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程、 [ a* = sin (0 地氣光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程，分析雜散光邊界夾角關(guān)系，確定互相垂直雙視 場(chǎng)星敏感器安裝條件下為避免雜散光影響星敏感器安裝指向范圍數(shù)學(xué)方程，其中C0為雙視 場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離YZ平面角度;S7:根據(jù)雙視場(chǎng)星敏感器安裝平面與衛(wèi)星本體坐 X：2 + V2 + z2 = 1 標(biāo)系XY平面夾角0與進(jìn)動(dòng)角co關(guān)系方程 .v = sin? ，確定雙視場(chǎng)星敏感器安裝平面與 z=y tan 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系XY平面夾角_范圍及其與進(jìn)動(dòng)角《關(guān)系；根據(jù)關(guān)系式 =疋/ 2 -沒(méi)-p計(jì)算太陽(yáng)光最大遮蔽角；根據(jù)關(guān)系式！__raax = -;r/2+沒(méi)+爐,極值點(diǎn) z〈0和max=；r/2 -沒(méi)hp，極值點(diǎn)z>0計(jì)算地氣光最大遮蔽角；其中，S_max為太陽(yáng)光最大 遮蔽角，E_max為地氣光最大遮蔽角，供為雙視場(chǎng)星敏感器安裝平面與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系XY平 面夾角，9為極值點(diǎn)所在指向Z平面投影線與Z軸夾角，同時(shí)，極值點(diǎn)為星敏感器不同指向太 陽(yáng)光/地氣光邊界曲線在其軸線上最高投影點(diǎn)；S8:確定在各種工況互相垂直雙視場(chǎng)星敏 感器正常工作條件下，第三視場(chǎng)星敏感器可工作工況及安裝指向數(shù)學(xué)方程;S9:確定第三視 場(chǎng)星敏感器遮光罩最大太陽(yáng)光遮蔽角與地氣光遮蔽角關(guān)系，根據(jù)遮光罩設(shè)計(jì)原則判斷最優(yōu) 安裝區(qū)間是否滿足設(shè)計(jì)要求;若滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)結(jié)束;若不滿足設(shè)計(jì)要求，執(zhí)行步驟S5， 重新設(shè)置衛(wèi)星機(jī)動(dòng)狀態(tài)下最大側(cè)擺角、俯仰角；以及S10:隨衛(wèi)星側(cè)擺角增大雙星敏不能在 各種工況條件下不受雜散光影響而進(jìn)行正常工作時(shí)，I在衛(wèi)星左側(cè)擺及正常工況情況下有 兩個(gè)星敏可正常工作，n在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工況情況下有兩個(gè)星敏可正常工作，m在衛(wèi) 星左側(cè)擺及右側(cè)擺工況情況下有兩個(gè)星敏可正常工作。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，有效 解決太陽(yáng)同步軌道航天器所安裝三視場(chǎng)星敏感器為避免雜散光影響安裝指向問(wèn)題，為星敏 感器遮光罩設(shè)計(jì)及多視場(chǎng)星敏感器安裝指向提供了理論基礎(chǔ)。
[0009] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì) 方法，還可以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0010] 進(jìn)一步地，在步驟S1中，所述太陽(yáng)同步軌道參數(shù)包括高度h、降交點(diǎn)地方時(shí)T、在軌 運(yùn)行周期t;所述衛(wèi)星參數(shù)包括衛(wèi)星質(zhì)量M、衛(wèi)星體積V;所述STK軟件中HP0P阻力模型參數(shù)包 括大氣阻力Cd、太陽(yáng)光壓C r、衛(wèi)星面質(zhì)比A/M和地磁力心，其中，所述衛(wèi)星面質(zhì)比A/M為1/4衛(wèi) 星表面積S與質(zhì)量M的比值。
[0011] 進(jìn)一步地，步驟S3進(jìn)一步包括:設(shè)置地球半徑Re，大氣層高度d，根據(jù)y atm = asin ((Re+d)/h)，計(jì)算確定地氣光與衛(wèi)星本體邊界夾角y atm。
[0012] 進(jìn)一步地，在步驟S5中，所述衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)狀態(tài)包括左側(cè)擺、右側(cè)擺、前仰和后仰。 [0013] 進(jìn)一步地，步驟S6進(jìn)一步包括:所述三視場(chǎng)星敏感器中前兩星敏感器相互垂直，首 先確定雙視場(chǎng)星敏感器安裝指向，然后確定第三星敏感器工作工況及安裝指向，其中，所述 f ^2 十 2. + 2 _ 1 雙視場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離YZ平面《角與球面交線方程為:X +'V 所述雙視
[ ,v = sin co 4 場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離YZ平面co角與球面交線方程與衛(wèi)星左側(cè)擺及前側(cè)擺地氣光邊 界曲線方程求解繞Z軸不同偏轉(zhuǎn)角度平面與地氣光邊界曲線交角;所述雙視場(chǎng)星敏感器單 視場(chǎng)指向偏離YZ平面co角與球面交線方程與衛(wèi)星右側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線方程求解繞Z軸不 同偏轉(zhuǎn)角度平面與地氣光邊界曲線交角;星敏感器安裝指向與YZ平面成n角，星敏安裝線與 Z軸夾角范圍為:sinS~sine，其中，e為星敏感器安裝線與相應(yīng)地氣光邊界曲線交點(diǎn)與衛(wèi)星 本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與Z軸的夾角，S為星敏感器安裝線與相應(yīng)太陽(yáng)光邊界曲線交點(diǎn)與衛(wèi) 星本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與Z軸的夾角，雙星敏安裝指向范圍曲線方程分別為： X2 + V2 + z2 = 1 X2 + V2 + Z3 - 1 * .r - sin/； ，< v = - sin /； 。 sin S <z < sin^, r > 0 v sin 8 <z < sin e, r > 0
[0014]進(jìn)一步地，步驟S8進(jìn)一步包括:第三星敏感器安裝指向在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系-Y-Z平 面內(nèi)，判斷第三星敏可工作工況，以及為使第三星敏使用效率最大化其可工作工況范圍，計(jì) 算該范圍太陽(yáng)光邊界在-Y-Z平面與Y軸夾角〇 s，地氣光邊界在-Y-Z平面與Y軸夾角~，第三星 敏安裝指向曲線方程如下： + J2 + z1 = 1
[0015] x = 0 〇 -sin us <z<- sin cxe, y < 0
[0016] 進(jìn)一步地，步驟S9進(jìn)一步包括:第三星敏太陽(yáng)光最大遮蔽角S_max = 〇-〇s;第三星 敏地氣光最大遮蔽角E_max = c^-o。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟S10進(jìn)一步包括：
[0018] 在衛(wèi)星左側(cè)擺及正常工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含:①衛(wèi)星左側(cè)擺地氣光邊 界曲線到衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光左側(cè)邊界曲線之間，②衛(wèi)星正常工況地氣光邊界曲線到衛(wèi)星 左側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線之間；
[0019] 在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含:③衛(wèi)星正常工況地氣光 邊界曲線到衛(wèi)星右側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線之間，④衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光右側(cè)邊界曲線到衛(wèi)星 右側(cè)擺地氣光邊界曲線之間；
[0020] 在衛(wèi)星左側(cè)擺及右側(cè)擺工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含:⑤衛(wèi)星正常工況太陽(yáng) 光兩邊界曲線之間；
[0021 ]當(dāng)區(qū)域④滿足星敏安裝時(shí)，雙星敏最優(yōu)區(qū)域?yàn)棰俸廷埽谌敲糁赶騾^(qū)域⑤；當(dāng)區(qū) 域④不能滿足星敏安裝時(shí)，雙星敏最優(yōu)指向區(qū)域?yàn)棰俸廷?，第三星敏指向區(qū)域⑤。
[0022] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0024]圖1是本發(fā)明的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法的流程圖； [0025]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的太陽(yáng)光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三年在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系關(guān)系模 型；
[0027]圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的衛(wèi)星無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下太陽(yáng)光邊界曲線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系 關(guān)系圖；
[0028]圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的衛(wèi)星無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下地氣光邊界曲線與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系 關(guān)系圖；
[0029]圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的衛(wèi)星不同工況下太陽(yáng)光、地氣光邊界曲線在YZ平面投 影；
[0030] 圖7是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的衛(wèi)星不同工況下太陽(yáng)光、地氣光邊界曲線在XZ平面投 影；
[0031] 圖8是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的不同安裝偏角情況下太陽(yáng)光、地氣光與Z軸夾角；
[0032]圖9是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的互相垂直雙視場(chǎng)星敏感器安裝指向線與Z軸夾角；
[0033]圖10是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的互相垂直雙視場(chǎng)星敏感器遮光罩最大太陽(yáng)遮蔽角與 最大地氣光遮蔽角關(guān)系圖；
[0034]圖11是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三視場(chǎng)星敏感器安裝指向示例圖。
[0035]圖12是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例太陽(yáng)同步軌道高度535km、10:30軌道衛(wèi)星在左右擺動(dòng)及 前后擺動(dòng)均為45°情況下，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系受雜散光影響及三星敏安裝指向區(qū)域示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0037]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)"中心"、"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、 "前"、"后"、"左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為 基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗 示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì) 本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì) 重要性。
[0038]在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可 以是機(jī)械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是 兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本 發(fā)明中的具體含義。
[0039] 參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實(shí)施例的這些和其他方面。在這些描述 和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實(shí)施例中的一些特定實(shí)施方式，來(lái)表示實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施 例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的 實(shí)施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。
[0040] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝 指向設(shè)計(jì)方法。
[0041] 請(qǐng)參考圖1，一種太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，包括以下 步驟：
[0042] S1:設(shè)置太陽(yáng)同步軌道參數(shù):包括高度h、降交點(diǎn)地方時(shí)T、在軌運(yùn)行周期t;衛(wèi)星參 數(shù):包括衛(wèi)星質(zhì)量M、衛(wèi)星體積V;STK(Satellite Tool Kit)軟件中HP0P(高精度軌道預(yù)報(bào)） 阻力模型參數(shù):包括大氣阻力Cd、太陽(yáng)光壓Cr、衛(wèi)星面質(zhì)比A/M、地磁力K P，其中衛(wèi)星面質(zhì)比A/ M為1 /4衛(wèi)星表面積S與質(zhì)量M的比值。
[0043]具體地，考慮衛(wèi)星對(duì)地成像、所受攝動(dòng)及阻力因素，本實(shí)施例設(shè)置衛(wèi)星軌道高度h 為700km;同時(shí)考慮對(duì)地觀測(cè)成像，本實(shí)施例設(shè)置降交點(diǎn)地方時(shí)T為受光照較為復(fù)雜的10:30 軌道;本實(shí)施例設(shè)置衛(wèi)星運(yùn)行周期t為3年。
[0044] 本實(shí)施例設(shè)置衛(wèi)星質(zhì)量M為20.5kg，衛(wèi)星體積V為324*360*400mm。
[0045] 本實(shí)施例設(shè)置大氣阻力Cd為2.2，太陽(yáng)光壓Cr為1.0，地磁力心為3.0，根據(jù)衛(wèi)星面質(zhì) 比A/M為1/4衛(wèi)星表面積S與質(zhì)量M的比值，計(jì)算可得衛(wèi)星面質(zhì)比A/M~0.01。
[0046] S2:在STK(Satellite Tool Kit)中進(jìn)行HP0P(高精度軌道預(yù)報(bào))仿真，確定衛(wèi)星在 軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸矢量夾角，其中，對(duì)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，Z軸指向 地心，X軸為衛(wèi)星前進(jìn)方向，Y軸由右手定則確定，a為太陽(yáng)光與X軸夾角，0為太陽(yáng)光與Y軸夾 角，Y為太陽(yáng)光與Z軸夾角。
[0047]具體地，本實(shí)施例中，對(duì)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，Z軸指向地心，X軸為衛(wèi)星前進(jìn)方向，Y 軸由右手定則確定，a為太陽(yáng)光與X軸夾角，0為太陽(yáng)光與Y軸夾角，y為太陽(yáng)光與Z軸夾角，如 圖2所示。根據(jù)步驟S1參數(shù)設(shè)置，本實(shí)施例通過(guò)STK軟件得出衛(wèi)星在軌運(yùn)行3年間太陽(yáng)光與衛(wèi) 星本體坐標(biāo)系三軸矢量夾角，其中，太陽(yáng)光與X軸向矢量夾角余弦最大值a max為〇. 9946，最小 值amin為-0.9946,因此太陽(yáng)光與X軸夾角范圍為5.9620°~174.0470° ;太陽(yáng)光與Y軸向矢量 夾角余弦最大值hax為-0.0841，最小值心^為-0.4537，因此太陽(yáng)光與Y軸夾角范圍為 94.8270°~116.9830° ;太陽(yáng)光與Z軸向矢量夾角余弦最大值y max為0.4376，最小值y min為-0.9914,因此太陽(yáng)光與Y軸夾角范圍為64.0470°~172.4730°。將各時(shí)刻太陽(yáng)光矢量方向在 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中描述出來(lái)，如圖3所示，光點(diǎn)表示太陽(yáng)光相對(duì)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的來(lái) 光矢量方向。
[0048] S3:設(shè)置地球半徑Re，大氣層高度d，根據(jù)yatm=aSin((R e+d)/h)，計(jì)算確定地氣光 與衛(wèi)星本體邊界夾角y ato，即與Z軸正方向夾角。
[0049] 具體地，由于地心引力作用，幾乎全部氣體集中在離地面100公里的高度范圍內(nèi)， 其中75%的大氣又集中在地面至10公里高度的對(duì)流層范圍內(nèi)。本實(shí)施例設(shè)定大氣層高度d =1001〇11，地球半徑1^ = 63781〇]1。根據(jù)關(guān)系式丫￡11；111=38；[11((1^+(1)/11)，將上述參數(shù)代入上式計(jì) 算可得地氣光與衛(wèi)星本體邊界夾角（即與Z軸正方向夾角）yatm為66.24°，考慮半長(zhǎng)軸變化， 本實(shí)施例采用67° (對(duì)應(yīng)659.44km)冗余設(shè)計(jì)。
[0050] S4.根據(jù)步驟S2中衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸矢量夾角，確 定衛(wèi)星無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下太陽(yáng)光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程;根據(jù)步驟S3確定衛(wèi)星無(wú)機(jī) 動(dòng)狀態(tài)下地氣光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程。
[0051] 具體地，衛(wèi)星無(wú)機(jī)動(dòng)工作狀態(tài)下，太陽(yáng)光邊界方程通過(guò)步驟S2中太陽(yáng)光與衛(wèi)星本 體坐標(biāo)系各軸夾角極值確定，根據(jù)步驟S2分析，太陽(yáng)光在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界方程由兩條 曲線構(gòu)成，分別如下公式，其中Z〈0.，02 = 116.9830°，如圖4。 「x2 + V2 + z2 二 1
[0052] ' L .vising ⑴ f X2 + v2 + z2 = 1
[0053] ' . n 1 .v = A (2)
[0054]由于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Z軸始終指向地心，因此，衛(wèi)星無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下地氣光邊界可 通過(guò)不同軌道高度地氣光半錐角直接確定，地氣光在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界方程如下公式， 其中0 = 67°，如圖5。 f x2 + v2 + z2 = 1
[0055] ^ _ ! z = cos 0 (3 )
[0056] S5:設(shè)置衛(wèi)星機(jī)動(dòng)狀態(tài)下最大側(cè)擺角、俯仰角，根據(jù)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣確定衛(wèi)星在不 同機(jī)動(dòng)狀態(tài)下（左側(cè)擺、右側(cè)擺、前仰、后仰)太陽(yáng)光、地氣光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界曲線 數(shù)學(xué)方程，以及各種工況條件下衛(wèi)星本體坐標(biāo)系不受雜光影響區(qū)域。
[0057]具體地，本實(shí)施例定義衛(wèi)星前擺為:衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系繞Y軸由+X向-Z軸向偏轉(zhuǎn)， 最大偏轉(zhuǎn)角為_30° ;衛(wèi)星后擺為:衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系繞Y軸由+X向+Z軸向偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角 為30°。本實(shí)施例定義衛(wèi)星左側(cè)擺:衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系繞X軸由-Y向-Z軸向偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角 為30° ;右側(cè)擺:衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系繞X軸由-Y向+Z軸向偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角為30°。
[0058]衛(wèi)星左側(cè)擺30°地氣光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中地氣光邊界方程(3)繞X軸旋 轉(zhuǎn)-30°，經(jīng)旋轉(zhuǎn)矩陣變換后，如下式：
[0060]衛(wèi)星左側(cè)擺30°太陽(yáng)光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中太陽(yáng)光邊界方程（1)、（2)繞X 軸旋轉(zhuǎn)-30°，只需分析其左側(cè)邊界曲線（1)的影響，經(jīng)旋轉(zhuǎn)矩陣變換后，如下式：
[0062]衛(wèi)星右側(cè)擺30°地氣光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中地氣光邊界方程(3)繞X軸 旋轉(zhuǎn)+30°，經(jīng)旋轉(zhuǎn)矩陣變換后，如下式：
[0064]衛(wèi)星右側(cè)擺30°太陽(yáng)光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中太陽(yáng)光邊界方程（1)、（2)繞X 軸旋轉(zhuǎn)+30°，只需分析其右側(cè)邊界曲線(2)的影響，經(jīng)旋轉(zhuǎn)矩陣變換后，如下式：
[0066]衛(wèi)星前擺30°地氣光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中地氣光邊界方程（3)繞Y軸旋 轉(zhuǎn)-30°，經(jīng)旋轉(zhuǎn)矩陣變換后，如下式：
[0068]衛(wèi)星前擺30°太陽(yáng)光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中太陽(yáng)光邊界方程（1)、（2)繞Y軸 旋轉(zhuǎn)-30°，太陽(yáng)光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的影響區(qū)域在地氣光覆蓋范圍內(nèi)，不需分析。
[0069]衛(wèi)星后擺30°地氣光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中地氣光邊界方程(3)繞Y軸旋轉(zhuǎn) 30°，經(jīng)旋轉(zhuǎn)矩陣變換后，如下式：
[0071]衛(wèi)星后擺30°太陽(yáng)光邊界曲線方程等價(jià)于步驟S4中太陽(yáng)光邊界方程（1)、（2)繞Y軸 旋轉(zhuǎn)-30°，太陽(yáng)光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的影響區(qū)域在地氣光覆蓋范圍內(nèi)，不需分析。
[0072] 根據(jù)步驟S4和S5上述部分對(duì)太陽(yáng)光、地氣光在各種工況下的邊界方程的提取及 變換，可得出在各種工況下衛(wèi)星本體坐標(biāo)系不受太陽(yáng)光、地氣光干擾的區(qū)域，邊界曲線在衛(wèi) 星本體YZ平面投影如圖6,可知不受干擾光影響區(qū)域共兩部分，夾角范圍分別為57.8°和 26°。本實(shí)施例設(shè)置星敏感器視場(chǎng)角為15°，因此，57.8°范圍區(qū)域滿足雙星敏安裝條件，26° 范圍區(qū)域不滿足星敏感器安裝最小條件。邊界曲線在XZ平面投影如圖7,可知不受干擾區(qū)域 由衛(wèi)星右側(cè)擺地氣光邊界曲線（6)、衛(wèi)星左側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線（5)、衛(wèi)星后側(cè)擺地氣光邊 界曲線(9)和衛(wèi)星前側(cè)擺地氣光邊界曲線(8)構(gòu)成。
[0073] S6.根據(jù)方程fY_ + jr + f = 1與步驟S4、S5確定的邊界方程，分析雜散光邊界夾角 I = sin (〇 關(guān)系，確定雙視場(chǎng)星敏感器安裝條件下為避免雜散光影響星敏感器安裝指向范圍數(shù)學(xué)方 程，其中《為雙視場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離YZ平面角度。
[0074] 具體地，本實(shí)施例三視場(chǎng)星敏感器中兩個(gè)星敏感器相互垂直，首先確定互相垂直 的雙視場(chǎng)星敏感器安裝指向，然后確定第三星敏感器工作工況及安裝指向。為使雙視場(chǎng)星 敏感器在衛(wèi)星各種工況下可同時(shí)正常工作，雙視場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離YZ平面與球 面交線方程為： 「X_ + .V_ + 二 1 /? t A \
[0075] (10) I x - sin co
[0076]聯(lián)立方程（10)與衛(wèi)星前側(cè)擺地氣光邊界曲線方程(8)、左側(cè)擺地氣光邊界曲線方 程(6)可求解繞Z軸不同偏轉(zhuǎn)角度平面與地氣光邊界曲線交角；同時(shí)，聯(lián)立方程（10)與衛(wèi)星 右側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線方程(5)可求解繞Z軸不同偏轉(zhuǎn)角度平面與太陽(yáng)光邊界曲線交角，如 圖8。隨著星敏感器指向繞Z軸偏離衛(wèi)星本體坐標(biāo)系YZ平面角度的增大，太陽(yáng)光邊界曲線與 地氣光邊界曲線夾角逐漸減小。因此，星敏感器安裝指向與YZ平面夾角n為45°，45°星敏安 裝線與Z軸夾角范圍sinS~sine為： Sin(-41.01°)~sin(2.696°)，如圖9。45°雙星敏安裝 指向范圍曲線方程分別為： r 十，+ z-二 1
[0077] ， x = -0.656 < z < 0.0475>' > 0 ( 11) xx-^-y2 -1
[0078] 1 .t = -V2/2 -0.656 < .- < 0,047, j > 0 ( \2)
[0079] S7.確定雙視場(chǎng)星敏感器最大太陽(yáng)光遮蔽角、地氣光遮蔽角關(guān)系，確定為避免雜散 光影響雙視場(chǎng)星敏感器指向范圍。
[0080] 具體地，根據(jù)雙視場(chǎng)星敏感器安裝平面與XY平面夾角爐與進(jìn)動(dòng)角co關(guān)系方程： X2 + V2 + Z2 = 1
[0081 ] 、 x = sin (〇 ( 13 ) z=y tan (p
[0082] 計(jì)算可得雙視場(chǎng)星敏感器安裝面與Z軸夾角范圍為-65°~3°，其中P為星敏安裝線 與YZ平面夾角，本實(shí)施例供為45°，co為雙視場(chǎng)星敏感器安裝面與XY平面夾角。
[0083] 最大太陽(yáng)遮蔽角可由雙星敏安裝平面與XY平面夾角，太陽(yáng)光極值點(diǎn)投影線與X軸 夾角Q求得，太陽(yáng)最大遮蔽角！_max=T/2與太陽(yáng)光最大遮蔽角計(jì)算類似，地氣光 最大遮蔽角也由上述關(guān)系解算得出，當(dāng)極值點(diǎn)Z坐標(biāo)小于0時(shí)，地氣光最大遮蔽角 ￡_max = -%/2十#+穸;當(dāng)極值點(diǎn)z坐標(biāo)大于0時(shí)，地氣光最大遮蔽角 max =;??/2 - <9 +滬〇根據(jù)上述計(jì)算，遮光罩最大太陽(yáng)遮蔽角與最大地氣光遮蔽角的關(guān)系 如圖10。
[0084] 由于太陽(yáng)光強(qiáng)遠(yuǎn)高于地氣光，太陽(yáng)遮蔽角需大于地氣光遮蔽角，因此雙星敏安裝 指向平面與XY平面夾角應(yīng)大于-32°，同時(shí)，本實(shí)施例星敏視場(chǎng)角為15°，設(shè)計(jì)地氣光遮蔽角 不小于10°，由圖10可知，雙星敏安裝指向平面與XY平面夾角應(yīng)小于-11°。因此，雙星敏安裝 指向平面與XY平面最優(yōu)夾角識(shí)在-32°~-11°之間。
[0085] S8:確定在各種工況雙視場(chǎng)星敏感器正常工作條件下，第三視場(chǎng)星敏感器可工作 工況及安裝指向數(shù)學(xué)方程。
[0086]具體地，本實(shí)施例第三星敏感器安裝指向在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系-Y-Z平面內(nèi)，如圖11。 由步驟S5可知，各種工況下不受干擾光影響區(qū)域共兩部分，在-Y-Z平面內(nèi)的部分為26°，由 于本實(shí)施例星敏感器視場(chǎng)角為15°，該部分在各種工況下不受雜光影響條件下無(wú)法安裝星 敏感器。因此，該部分所安裝星敏感器只能在部分工況下使用。
[0087]正常工況條件下雜光對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的影響區(qū)域介于衛(wèi)星左側(cè)擺和右側(cè)擺工 況之間，其中在左側(cè)擺工況條件下，星敏指向會(huì)受到衛(wèi)星前后擺工況條件下雜光影響。為使 第三星敏使用效率最大化，第三星敏安裝指向應(yīng)在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工況條件下可正常使 用，由圖11可知，在該條件下第三星敏安裝指向邊界曲線為衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光右側(cè)曲線、 衛(wèi)星右側(cè)擺地氣光邊界曲線。該區(qū)域太陽(yáng)光邊界在-Y-Z平面與Y軸夾角 〇3為117°，地氣光邊 界在-Y-Z平面與Y軸夾角~為173°，因此該區(qū)域在-Y-Z平面與Y軸夾角范圍〇為117°~173°。 [0088]第三星敏安裝指向曲線方程如下： x2 + V2 +22 =1
[0089] < x = 0 (14) -0.891 <z <-0,122, r<0
[0090] S9.確定第三視場(chǎng)星敏感器遮光罩最大太陽(yáng)光遮蔽角與地氣光遮蔽角關(guān)系，根據(jù) 遮光罩設(shè)計(jì)原則判斷安裝區(qū)間是否滿足設(shè)計(jì)要求;若滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)結(jié)束;若不滿足 設(shè)計(jì)要求，執(zhí)行步驟S5，重新設(shè)置衛(wèi)星機(jī)動(dòng)狀態(tài)下最大側(cè)擺角、俯仰角。
[0091] 具體地，雙視場(chǎng)星敏感器遮光罩最大太陽(yáng)光、地氣光遮蔽角可由步驟S7得出，在衛(wèi) 星右側(cè)擺工況下，第三星敏太陽(yáng)光最大遮蔽角3_111&1 = 〇-(^;第三星敏地氣光最大遮蔽角E_ max = 0e-0。具體星敏感器安裝平面指向需與星敏感器遮光罩設(shè)計(jì)要求相結(jié)合。若滿足遮光 罩尺寸及遮光性能設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)結(jié)束;若不滿足遮光罩尺寸及遮光性能設(shè)計(jì)要求，執(zhí)行步 驟S5，適當(dāng)減小衛(wèi)星機(jī)動(dòng)狀態(tài)下最大側(cè)擺角、俯仰角。
[0092] S10:隨衛(wèi)星側(cè)擺角增大，衛(wèi)星各種工況條件下不受雜散光影響區(qū)域逐漸減小，當(dāng) 該區(qū)域不滿足雙星敏安裝條件時(shí)，雙星敏不能在各種工況條件下不受雜散光影響而進(jìn)行正 常工作。為保證在不同工況條件下至少有兩個(gè)星敏可正常工作，需對(duì)星敏指向進(jìn)行優(yōu)化。 [0093] 衛(wèi)星正常工況受雜散光影響區(qū)域處于衛(wèi)星左側(cè)擺及右側(cè)擺之間，當(dāng)不滿足任何工 況雙星敏可同時(shí)工作條件時(shí)，為使星敏使用效率最大化，需保證：1在衛(wèi)星左側(cè)擺及正常工 況情況下有兩個(gè)星敏可正常工作，n在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工況情況下有兩個(gè)星敏可正常工 作，m在衛(wèi)星左側(cè)擺及右側(cè)擺工況情況下有兩個(gè)星敏可正常工作。
[0094]在衛(wèi)星左側(cè)擺及正常工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含:①衛(wèi)星左側(cè)擺地氣光邊 界曲線到衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光左側(cè)邊界曲線之間，②衛(wèi)星正常工況地氣光邊界曲線到衛(wèi)星 左側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線之間。
[0095] 在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含:③衛(wèi)星正常工況地氣光 邊界曲線到衛(wèi)星右側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線之間，④衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光右側(cè)邊界曲線到衛(wèi)星 右側(cè)擺地氣光邊界曲線之間。
[0096] 在衛(wèi)星左側(cè)擺及右側(cè)擺工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含:⑤衛(wèi)星正常工況太陽(yáng) 光兩邊界曲線之間。
[0097]以上三種星敏指向在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系YZ平面內(nèi)安裝其遮光罩最大太陽(yáng)光遮蔽角、 最大地氣光遮蔽角設(shè)計(jì)可達(dá)到最優(yōu)。為使雙星敏垂直安裝，同時(shí)避免衛(wèi)星前后擺動(dòng)地氣光 對(duì)星敏的影響，其最優(yōu)安裝區(qū)域?yàn)棰俸廷埽谌敲糁赶騾^(qū)域⑤。但隨側(cè)擺角的不斷增大， 各區(qū)域安裝區(qū)域逐漸減小，當(dāng)區(qū)域④不能滿足星敏安裝時(shí)，雙星敏最優(yōu)指向區(qū)域?yàn)棰俸廷郏?第三星敏指向區(qū)域⑤。
[0098]圖12為太陽(yáng)同步軌道高度535km、10 :30軌道衛(wèi)星在左右擺動(dòng)及前后擺動(dòng)均為45° 情況下，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系受雜散光影響示意圖。在衛(wèi)星左側(cè)擺及正常工況下，星敏安裝指向 區(qū)域包含在YZ平面內(nèi)區(qū)域①及區(qū)域②;在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工況下，星敏安裝指向區(qū)域包 含在YZ平面內(nèi)區(qū)域③及區(qū)域④;在衛(wèi)星左側(cè)擺及右側(cè)擺工況下，星敏安裝指向區(qū)域包含在 YZ平面內(nèi)區(qū)域⑤。為使雙星敏垂直安裝，同時(shí)避免衛(wèi)星前后擺動(dòng)地氣光對(duì)星敏的影響，其最 優(yōu)安裝區(qū)域?yàn)棰俸廷?，第三星敏指向區(qū)域⑤。同時(shí)隨側(cè)擺角的不斷增大，各區(qū)域安裝區(qū)域逐 漸減小，當(dāng)區(qū)域④不能滿足星敏安裝時(shí)，雙星敏最優(yōu)指向區(qū)域?yàn)棰俸廷郏谌敲糁赶騾^(qū)域 ⑤。
[0099]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，可以 有效解決太陽(yáng)同步軌道航天器所安裝三視場(chǎng)星敏感器為避免雜散光(太陽(yáng)光、地氣光)影響 安裝指向問(wèn)題，同時(shí)為不同安裝指向條件下三視場(chǎng)星敏感器遮光罩最大太陽(yáng)光、地氣光遮 蔽角設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。為星敏感器避免雜散光影響進(jìn)行安裝指向及設(shè)計(jì)提供了一種有實(shí) 際應(yīng)用價(jià)值的設(shè)計(jì)方案。
[0100] 另外，本發(fā)明實(shí)施例的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法的其 它構(gòu)成以及作用對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。
[0101] 在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)"一個(gè)實(shí)施例"、"一些實(shí)施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不 一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何 的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0102] 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下 步驟： S1:設(shè)置太陽(yáng)同步軌道參數(shù)、衛(wèi)星參數(shù)、STK軟件中HPOP阻力模型參數(shù)； S2:在STK軟件中進(jìn)行HPOP仿真，確定衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸 矢量夾角，其中，對(duì)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，Z軸指向地心，X軸為衛(wèi)星前進(jìn)方向，Y軸由右手定則 確定，α為太陽(yáng)光與X軸夾角，β為太陽(yáng)光與Y軸夾角，γ為太陽(yáng)光與Z軸夾角； S3:根據(jù)地球半徑、大氣層高度計(jì)算確定地氣光與衛(wèi)星本體邊界夾角； S4:根據(jù)所述衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸矢量夾角，確定所述衛(wèi) 星在無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，太陽(yáng)光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程;根據(jù)所述地氣光與衛(wèi)星本 體邊界夾角確定所述衛(wèi)星在無(wú)機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，地氣光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程； S5:設(shè)置衛(wèi)星機(jī)動(dòng)狀態(tài)下最大側(cè)擺角和俯仰角，根據(jù)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣確定所述衛(wèi)星在 不同機(jī)動(dòng)狀態(tài)下太陽(yáng)光、地氣光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界曲線數(shù)學(xué)方程，以及各種工況條 件下衛(wèi)星本體坐標(biāo)系不受雜光影響區(qū)域； S6:判斷各種工況條件下不受雜光影響區(qū)域能否滿足雙星敏安裝，如可以，根據(jù)方程、所述衛(wèi)星在各種工況狀態(tài)下，太陽(yáng)光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程、 地氣光相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系邊界數(shù)學(xué)方程，分析雜散光邊界夾角關(guān)系，確定互相垂直雙視 場(chǎng)星敏感器安裝條件下為避免雜散光影響星敏感器安裝指向范圍數(shù)學(xué)方程，其中ω為雙視 場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離ΥΖ平面角度； S7:根據(jù)雙視場(chǎng)星敏感器安裝平面與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系ΧΥ平面夾角於與進(jìn)動(dòng)角ω關(guān)系方，確定雙視場(chǎng)星敏感器安裝平面與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系ΧΥ平面夾角Ρ范圍及 其與進(jìn)動(dòng)角ω關(guān)系； 根據(jù)關(guān)系式?jīng)]_max = ;?72-6>-鏟計(jì)算太陽(yáng)光最大遮蔽角；根據(jù)關(guān)系式 max = -兀/2+(9+爐,極值點(diǎn)2〈〇和￡_:11腿=龍/2:-沒(méi)+供，極值點(diǎn)2>〇計(jì)算地氣光最大遮 蔽角； 其中，S_max為太陽(yáng)光最大遮蔽角，E_max為地氣光最大遮蔽角，夢(mèng)為雙視場(chǎng)星敏感器安 裝平面與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系XY平面夾角，Θ為極值點(diǎn)所在指向Z平面投影線與Z軸夾角，同時(shí)， 極值點(diǎn)為星敏感器不同指向太陽(yáng)光/地氣光邊界曲線在其軸線上最高投影點(diǎn)； S8:確定在各種工況互相垂直雙視場(chǎng)星敏感器正常工作條件下，第三視場(chǎng)星敏感器可 工作工況及安裝指向數(shù)學(xué)方程； S9:確定第三視場(chǎng)星敏感器遮光罩最大太陽(yáng)光遮蔽角與地氣光遮蔽角關(guān)系，根據(jù)遮光 罩設(shè)計(jì)原則判斷安裝區(qū)間是否滿足設(shè)計(jì)要求;若滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)結(jié)束;若不滿足設(shè)計(jì)要 求，如可進(jìn)行工況調(diào)整，執(zhí)行步驟S5，重新設(shè)置衛(wèi)星機(jī)動(dòng)狀態(tài)下最大側(cè)擺角、俯仰角；如不可 進(jìn)行工況調(diào)整，執(zhí)行步驟S10;以及 S10 .隨衛(wèi)星側(cè)擺角增大雙星敏不能在各種工況條件下不受雜散光影響而進(jìn)行正常工 作時(shí)，I在衛(wèi)星左側(cè)擺及正常工況情況下有兩個(gè)星敏可正常工作，Π 在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工 況情況下有兩個(gè)星敏可正常工作，m在衛(wèi)星左側(cè)擺及右側(cè)擺工況情況下有兩個(gè)星敏可正常 工作。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，在步驟si中，所述太陽(yáng)同步軌道參數(shù)包括高度h、降交點(diǎn)地方時(shí)τ、在軌運(yùn)行周期t; 所述衛(wèi)星參數(shù)包括衛(wèi)星質(zhì)量Μ、衛(wèi)星體積V; 所述STK軟件中ΗΡΟΡ阻力模型參數(shù)包括大氣阻力Cd、太陽(yáng)光壓Cr、衛(wèi)星面質(zhì)比A/Μ和地磁 力KP，其中，所述衛(wèi)星面質(zhì)比A/Μ為1/4衛(wèi)星表面積S與質(zhì)量Μ的比值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，步驟S3進(jìn)一步包括： 設(shè)置地球半徑Re，大氣層高度d，根據(jù)γ atm=asin((Re+d)/h)，計(jì)算確定地氣光與衛(wèi)星本 體邊界夾角γ atm。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，在步驟S5中，所述衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)狀態(tài)包括左側(cè)擺、右側(cè)擺、前仰和后仰。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，步驟S6進(jìn)一步包括： 所述三視場(chǎng)星敏感器中前兩星敏感器指向相互垂直，然后確定第三星敏感器可工作工 況及安裝指向方程，其中，所述雙視場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離YZ平面ω與球面交線方程 為：所述雙視場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離ΥΖ平面ω與球面交線方程與衛(wèi)星左側(cè)擺及前側(cè) 擺地氣光邊界曲線方程求解繞Ζ軸不同偏轉(zhuǎn)角度平面與地氣光邊界曲線交角ε; 所述雙視場(chǎng)星敏感器單視場(chǎng)指向偏離ΥΖ平面ω與球面交線方程與衛(wèi)星右側(cè)擺太陽(yáng)光 邊界曲線方程求解繞Ζ軸不同偏轉(zhuǎn)角度平面與地氣光邊界曲線交角δ; 星敏感器安裝指向與ΥΖ平面成η角，η角星敏安裝線與Ζ軸夾角范圍為：??ηδ~sine，其 中，ε為星敏感器安裝線與相應(yīng)地氣光邊界曲線交點(diǎn)與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與Z軸的 夾角，S為星敏感器安裝線與相應(yīng)太陽(yáng)光邊界曲線交點(diǎn)與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線與Ζ軸 的夾角，雙星敏安裝指向范圍方程分別為：6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，步驟S8進(jìn)一步包括： 所述第三星敏感器安裝指向范圍在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系-Υ-Ζ平面內(nèi)； 判斷第三星敏可工作工況，以及為使第三星敏使用效率最大化其可工作工況范圍，計(jì) 算該范圍太陽(yáng)光邊界在-γ-ζ平面與Y軸夾角〇s，地氣光邊界在-γ-ζ平面與Y軸夾角~，第三星 敏安裝指向曲線方程如下：7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，步驟S9進(jìn)一步包括： 第三星敏太陽(yáng)光最大遮蔽角S_max = 〇-〇s;第三星敏地氣光最大遮蔽角E_max = 〇e-〇。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星三視場(chǎng)星敏感器安裝指向設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，步驟S10進(jìn)一步包括： 在衛(wèi)星左側(cè)擺及正常工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含:①衛(wèi)星左側(cè)擺地氣光邊界曲 線到衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光左側(cè)邊界曲線之間，②衛(wèi)星正常工況地氣光邊界曲線到衛(wèi)星左側(cè) 擺太陽(yáng)光邊界曲線之間。 在衛(wèi)星右側(cè)擺及正常工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含：③衛(wèi)星正常工況地氣光邊界 曲線到衛(wèi)星右側(cè)擺太陽(yáng)光邊界曲線之間，④衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光右側(cè)邊界曲線到衛(wèi)星右側(cè) 擺地氣光邊界曲線之間； 在衛(wèi)星左側(cè)擺及右側(cè)擺工況下，星敏可安裝指向區(qū)域包含：⑤衛(wèi)星正常工況太陽(yáng)光兩 邊界曲線之間； 雙星敏垂直安裝最優(yōu)區(qū)域?yàn)棰俸廷?，第三星敏指向區(qū)域⑤；當(dāng)區(qū)域④不能滿足星敏安 裝時(shí)，雙星敏最優(yōu)指向區(qū)域?yàn)棰俸廷?，第三星敏指向區(qū)域⑤。
【文檔編號(hào)】G01C21/24GK105928524SQ201610250586
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月21日
【發(fā)明人】邢飛, 王賡, 尤政
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)