地球静止轨道遥感卫星相机太阳规避设计.pdf

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1、201j年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology地球静止轨道遥感卫星相机太阳规避设计彭洲李振松乔国栋刘新彦(北京控制1二程研究所．北京100190)摘要地球静止轨道成像式遥感卫星的光学成像相机在轨工作期间需要避免阳光的照射，针对现有滚动轴姿态机动算法存在规避开始时初始角速度过大的问题．提出一种改进的滚动轴机动太阳规避算法。该算法在规避开始与结束时，设计一定的规避角度余量，将建立机动初始状态的过程由达到规避角度的瞬间延伸到角度余量区间中，延长建立初始状态的时间，减小初始角速度。系统数学仿真和测试验证证明该算法简单可靠，在开始规避时，

2、初始角速度由0．2(。)／s减小到0．014(。)／s，整个规避过程平稳，具有良好的工程应用价值。关键词光学成像相机；太阳规避；姿态机动；角度规避余量；遥感卫星I)()I：10．3780／i．issn．1000—7j8X．2015．02．0081引言地球静止轨道成像式遥感卫星的主载荷一般为光学成像相机，相机光轴方向沿卫星本体+Z轴。地球静止轨道卫星的轨道面与地球赤道面基本重合，如果卫星在轨道上无偏置时，一年中，太阳或照射卫星南侧，或照射北侧，在春、秋分时太阳几乎处于轨道面内。在卫星星下点午夜前后，相机光轴方向与太阳矢量夹角比较小，如果不采取措施，太阳光可能射入相机视场，严重影响相机

3、的正常_T．作．冈此必须采取措施避免相机视场受太阳光照射。目前主要有j种规避方法：1)安装遮光罩1。!。2)在相机上安装热门一。‘。卫星正常轨道运行过程中，当太阳光线与相机光轴夹角小于要求的范同时，热门关闭．过后热门再打开。热门为机械可动机构，存在失效风险。3)采用整星姿态机动的方式6”，主要包括=三种机动方式：卫星三轴同时机动、仅对俯仰轴进行机动、仅对滚动轴进行机动。以上几种方法中．方法1)仅能避免杂散光的影响，无法解决相机被太阳照射的问题。方法2)主要依靠相机A身的设计解决，对整星影响较小。但是增加了一个可动机构，这种可动机构需要进行大量的地面试验．代价较大，一旦热门失效会使载

4、荷不能完成任务．风险也较大。方法3)中，采崩三轴同时机动，机动过程平稳，角速度较小，但是在不同季节，机动轴在本体系中不确定，需要采用四元数进行设计，设计过程复杂；如果进行大角度机动，在机动过程中。机动的角度会出现正负变化，操作较复杂；采用俯仰轴机动，机动过程中姿态角速度很小，但是在规避结束后需要进行反向恢复性运动，恢复过程耗时较长，相机光轴会瞬时受晒；采用滚动轴机动，机动轴在本体中是确定的，只需根据太阳矢量在本体系中的分量进行滚动偏置角的计算，满足太阳矢量和本体+z轴夹角小于要求的规避角即可，但是在开始阳光规避时，可能角速度较大。收稿日期：20I卜05i9。收修改稿日期：20I41

5、126i!主国窒囹型堂垫查：!!i生!旦比较以上的几种方法会发现，选择单独采用滚动轴机动的算法将更可靠，算法设计简单，只需要改进机动算法，解决开始时角速度较大的问题，是一种最适用的方法。本文的研究重点是改进滚动轴机动算法，利用规避开始与结束时规避角度的余量设计，提出一种改进的滚动轴机动太阳规避算法。该算法将建立初始机动状态的过程由到达规避角度的瞬间延伸到角度余量区间中，增加建立初始状态的时间，最终减小初始角速度，能有效解决初始角速度过大、卫星姿态不平稳的问题。该算法对于采用动量轮作为执行机构的零动量卫星具有良好的工程应用前景。2采用卫星滚动姿态机动实现相机太阳规避的设计符号定义如下

6、：[S。，S。，S。】7，[S。，S。。S。：】7分别表示太阳矢量在轨道坐标系下和卫星本体系下的矢量；口为相机要求的太阳规避角；仇为滚动姿态偏置角。2．1基本滚动姿态机动太阳规避算法相机的光轴方向与卫星本体系+z轴方向重合，如果卫星处于正常运行模式，姿态无偏置，理论上【S，。S。S。。】。和【shS。，S。：】。重合，当太阳矢量与其在轨道坐标系的分量S。：的夹角小于a时，则要进行滚动姿态机动，偏置角为9。；当夹角大于口时，‰为0。(1)Sb：一一sinq’b·Sw+cos％·S。(2)当Sb：一COSt2时，即一sin％·S。+cos％·S。一COSO：(3)就可以满足相机太阳规避

7、要求。由式(3)可得滚动姿态偏置角：Pb一伽+arccos(cosa／~／s≥+S，e。)(4)式中po一一arctan(S⋯／s)。通过求导得出姿态机动的角速度为参。一丛銎垒三竺竺立坐坠生∞戍(5)~／s：。+s乏一COS2a(s：。+s乏)式中09。为地球静止轨道角速率，CO。兰7．292×10rad／s。春秋分点时，‰最大，此时S。。圭0，机动的角速度为易。一≤竺竺兰墨L(6)~／s丕一COS2aS。当刚开始进行规避时，S。一C080t，由式(6)可知，在规避开