通过姿态控制改变卫星面质比的优化算法研究

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1、第27卷第9期计算机仿真2010年9月文章编号：1006—9348(2010)09—0066—04通过姿态控制改变卫星面质比的优化算法研究赵晓峰，赵黎平，钟红恩，祝文博(中国科学院光电研究院，北京lOOl90)摘要：根据大气阻力对卫星编队的影响，为了保持伴飞运动的长期稳定，采用改变卫星面质比的被动式轨控方法。针对如何具体改变卫星面质比的问题，推导了一种太阳能帆板周定的卫星构型中姿态与面质比的数学关系，并建立了优化模型。根据面质比保持和改变的不同需要，设计了对地稳定模式、偏置稳定模式及姿态机动模式等三种姿态控制模式。通过其在Matlab平台上数值仿真，结果表明方法可有效改变

2、卫星面质比实现姿轨控一体化设计；同时可以在保证面质比达到期望值的前提下，使得太阳能帆板朝向太阳。关键词：伴随卫星；面质比；优化；太阳能帆板中图分类号：V412．4文献标识码：AAdjustingArea—Mass—RatioofSatelliteFormationFlyingThroughAttitudeControlwithConsideringtheOrientationofSolarPanelZHAOXiao—feng，ZHAOLi—ping，ZHONGHong—en，ZHUWen—bo(AcademyofOpto—Electronics，ChineseAcadem

3、yofSciences，Beijng100190，China)ABSTRACT：Apassivemethodutilizedtheatmospheredisturbforceisoftenusedtocontroltheorbitofsatellitefor-mationflyingforstability．Adjusting801fea—m鹊s—ratioisnecessaryforthismethod．Thepapertreatsasatellitepow-eredby彻unmovablesolarplanewithadesiredarea—nlags—ratioan

4、ddescribesamethodtorealizethechangeofarea—mass—ratiobycontrollingtheattitudeofdeputysatellitewithconsideringtheorientationofsolarplane．There—lationbetweentheattitudeandthearea—ula$s—ratioisderived．Thesimulationshowsthatthemethodisfeasibilityandvalidity．KEYWORDS：Deputysatellite；Area—-mass-

5、·ratio；Optimal；Solarpanel1引言大气摄动会引起编队构形沿航迹方向的相对漂移。当卫星之间几何形状和质量不同时，大气摄动对构形的影响很大，不可以忽略不计。面质比相差25％的两颗卫星在高度为722km的轨道做编队飞行时，大气阻力对编队队形的影响大于J2摄动，成为影响编队队形最主要的摄动⋯。可以利用这种摄动，将其作为一种有用的力实现伴飞运动的长期稳定。文献[2][3]研究了利用大气阻力实现编队保持，论证了通过面质比合理的调整，可以降低漂移，提高构形稳定性。但并没有给出如何实现面质比的调整。针对如何实现面质比的调整的问题，文献[5]提出了一种基于气动阻力板的

6、构形控制方案，但星上气动阻力板大多是专门设计的，仅用于调节卫星的大气阻力，使卫星设计复基金项目：中国科学院知识创新工程领域前沿项目：航天器伴星长期稳定伴飞的轨道和姿态控制方法研究收稿日期：2009—06—21修回日期：2009—08一05—66一杂化；文献[4]提出了利用供电空闲弧段改变太阳能帆板指向来完成迎风面积调整的设计方案，但这对太阳电池阵供电能力提出了较高的要求。本文通过姿态控制的方法来改变卫星的面质比，该方法便于实现姿轨控一体化设计。首先针对一种太阳能帆板固定的卫星构型，详细推导了卫星姿态与面质比之间的数学关系，然后设计不同的姿态控制模式，仿真结果表明：利用这种

7、方法改变卫星面质比可行、有效，便于实现姿轨控一体化设计；同时可以在保证面质比达到期望值的前提下，使得太阳能帆板尽可能地朝向太阳。2面质比与姿态关系推导及优化模型的建立根据不同需要，可以设计不同的卫星构型。文中研究对象为主动三轴稳定卫星，卫星本体为四棱柱形框架面板式结构，三边为Ⅱ，b，c；在卫星上固定安装有两翼太阳帆板，帆板单轴对日定向，每一帆板包含2块太阳电池阵。卫星构型示意图如图1所示。图1卫星构型示意图卫星本体六个表面积为S，=S4=bc，s：=S5=∞S3=s6=ab，太阳能帆板面积为s。。卫星迎风面积是由卫星本体与太阳