一種晨昏太陽同步軌道衛星太陽捕獲控制方法*

劉善伍 郭崇濱 高海云 王 俊

1.上海微小衛星工程中心，上海200050 2.中國科學院大學，北京100049

0 引言

磁測磁控衛星由于其結構簡單、可靠性高、成本低的特點，受到廣泛關注[1-4]，尤其是在衛星入軌初期速率阻尼和姿態捕獲方面發揮著重要的作用。

目前，衛星入軌或需要能源供給時基本采用多敏感器組合確定衛星姿態，采用推力器或飛輪作為衛星姿態控制執行機構進行姿態機動，使太陽帆板指向太陽，從而實現捕獲太陽。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，衛星能源有限，往往要求采用低功耗高可靠部件實現太陽捕獲，當前國內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]的純磁控方法復雜，需要多敏感器確定姿態，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敏感器，但執行機構需要采用推力器，可靠性低。

對于高功能密度的微納衛星來講，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太陽捕獲十分必要。本文以某型號衛星為研究背景，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行機構，僅采用磁強計與磁力矩器即可實現太陽捕獲。該方法簡單易行，工程成本極低，可靠性高。

1 衛星姿態動力學模型

對于多數衛星，其動力學皆可簡化為剛體的動力學模型[12]，如式(1)所示。

(1)

式(1)中：

當衛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軸自旋的衛星滾動和偏航通道在阻尼力矩下的穩定性分析

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。

衛星繞y軸自旋角速度為ωyr，在小角度假設下，將動力學模型式(2)中滾動和偏航通道用姿態表示如下：

(4)

滾動和偏航通道的特征方程為：

(5)

即：

a4s4+a3s3+a2s2+a1s+a0=0

(6)

根據勞茨判據，得出，當滿足如下條件時，滾動和偏航通道是穩定的：

(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雜控制過程，無法實現三軸控制解耦，但從能量角度和最終的控制目標看，其結果都是使能量衰減，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組成

磁控太陽捕獲控制系統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組成

3.2 晨昏軌道太陽捕獲期望姿態分析

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，即可實現太陽指向。換言之，將衛星本體坐標系xbybzb相對于軌道坐標系xoyozo姿態的滾動角和偏航角控制趨于0，即可實現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節分析的結果，給衛星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式(8)的控制目標。

滾動-偏航通道施加磁控阻尼力矩，即衛星yb軸磁矩Py按照如下方式產生：

(9)

俯仰通道施加自旋力矩，即xb和zb軸磁矩Px,Pz按照如下方式產生：

(10)

式(9)和式(10)中：Bx,By,Bz為三軸磁強計測得的衛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，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果

以某型號衛星為例，仿真參數如表1所示。

表1 衛星太陽捕獲控制仿真參數

按照上一節的磁控方法進行太陽捕獲控制仿真，仿真結果如圖3～5。從圖3中可以看到衛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，最終實現了太陽捕獲。

該方法已經成功應用在中國科學院微小衛星創新研究院的軟件定義衛星(簡稱TZ-1)入軌太陽捕獲模式上，在軌實際遙測數據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角

圖5 磁控太陽捕獲太陽矢量與帆板法線夾角

5 結語

研究了極簡配置晨昏太陽同步軌道上衛星太陽捕獲方法，僅利用磁強計和磁力矩器即可實現，無需復雜昂貴的其他高精度敏感器和執行機構，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星角速度信息，省去了慣性測量部件。從仿真結果中可以看到，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，已成功在軌應用，可推廣至其他工程航天器。