[发明专利]基于重力矢量跟踪的立方星太阳翼对日定向地面实验方法

说明书

本发明提出一种基于重力矢量跟踪的立方星太阳翼对日定向地面实验方法，引入可类比太阳矢量的恒定重力矢量作为矢量追踪源，无需太阳模拟器等复杂专用设备，仅采用三轴转台等通用测试设备，即可实现太阳翼对日定向功能的模拟和测试。该方法测试步骤少，环节简单，速度快、无需复杂建模、适合一般实验室环境下的太阳翼测试和地面实验，用于验证其对日定向的功能和精度，更加符合立方星研发快、结构简单、低成本的特点。

技术领域

本发明属于立方体卫星太阳翼技术领域，具体涉及一种基于重力矢量跟踪的立方星太阳翼对日定向地面实验方法及装置。

背景技术

立方体卫星(以下简称立方星)因体积小、质量轻、成本低、研发快，多颗卫星可同时发射等优点，适用于开展航天领域技术探索与验证，得到日益广泛的重视。目前制约立方星应用的主要因素之一是其能源供给能力限制，立方星工作能源由太阳能光伏电池提供，传统体装式方案将光伏电池安装于立方星外表面，受立方星表面积限制电量产能有限。展开式太阳翼采用折叠安装的扩大型光伏电池帆板，通过增大光伏电池面积的方式提高光伏产能。基本的展开式太阳翼仅实现光伏电池帆板的展开，太阳翼相对于立方星本体无法改变角度，因此太阳光入射角度受卫星姿态影响。而光伏电池的光电转换效率与光线相对于太阳翼的入射角度直接相关，越接近垂直照射时电能转化效率越高，因此提高展开式太阳翼的光伏产能主要取决于其对日定向能力。故后续发展出单轴跟踪及双轴跟踪方式，可实现太阳翼单自由度或双自由度转动以追踪太阳光，提高光伏转换效率和产能。为了提高对日定向太阳翼的控制精度和工作效率，在地面测试阶段，验证太阳翼的定向效果和定向精度具有重要意义。

考虑地面实验环境，以下原因导致难以直接采用太阳光作为光源进行太阳矢量追踪：(1)若引入太阳光，室内实验环境必须加以改造，增加复杂的室内外透光系统，成本昂贵，而且太阳光会随着时间不断改变角度，难以作为稳定的基准光源；(2)若采用室内模拟光源，一般照明方法无法产生平行光源，需使用专用太阳模拟器模拟平行太阳光，其价格昂贵且产生的照射光斑尺寸小，难以照射整个太阳翼；(3)立方星开展地面姿态控制模拟实验时，太阳翼位置随立方星姿态运动不断改变，太阳光或模拟光源难以精确指向并照射太阳翼；(4)室内环境的其它杂散光、反射光、室内照明等会对实验结果造成干扰。以上因素给太阳翼对日定向功能和精度的地面验证与测试带来困难，需要引入更为简便、准确的方法进行太阳翼对日定向功能的地面实验验证。

目前所见太阳翼地面实验方法，以大型半物理仿真联合的形式居多，主要针对大型柔性太阳翼。对立方星的小型刚性太阳翼而言，期望使用较为简单的实验方法和通用实验仪器便可完成其地面试验，这种技术复杂、设备要求高、实验验证过程麻烦的方法并不完全适用。文献“空间站对日定向装置半物理试验台关键技术，宇航学报，2019，Vol.40(5)：596-603”提出了一种太阳翼对日定向装置的地面试验方法。该方法结合大型物理试验台和MATLAB建模仿真两种方式，利用复杂的仿真单元、高精度加载单元、大型驱动装置等专用设备完成测试，结果表明太阳翼对日定向装置能稳定跟踪给定信号。此方法针对大型柔性太阳翼有良好实用性，但考虑到试验系统复杂程度、软硬件结合的试验条件、试验环境成本高、测试周期长等不足，并不适用于立方星小型刚性太阳翼对日定向地面实验。

发明内容

为解决立方星太阳翼对日定向地面试验能力的不足，克服传统方法所带来的试验系统复杂、设备要求高、步骤繁琐、测试周期长等问题，本发明提出了一种基于重力矢量跟踪的立方星太阳翼对日定向地面实验方法及装置。

本发明的发明构思是：

太阳翼追踪太阳光的实际工作过程，可描述为太阳翼对一个空间矢量的准确追踪，那我们在进行立方星太阳翼对日定向地面试验时，可以考虑采用一个能可靠模拟太阳光定常矢量特性的其他矢量作为跟踪对象，避免采用太阳模拟器等复杂专用设备。