一种航天器多星敏感器布局的优化方法与流程

1.本发明属于航天器总体设计领域，涉及一种航天器多星敏感器布局优化方法。


背景技术：

2.在常用的姿态敏感器中，星敏感器测量精度可达角秒级，因此成为卫星重要的姿态测量器件。星敏感器通过敏感恒星光来确定卫星的姿态，由于恒星光是弱光，容易受到外界杂散光的影响，卫星在轨运行时若太阳光或地气光等杂散光进入星敏感器视场时，星敏感器测量精度下降甚至失效。另外，利用多个星敏感器测量信息进行联合定姿时，各星敏感器的光轴指向夹角越接近正交，姿态确定精度越高。因此，为保证星敏感器在轨可用率，提高卫星姿态确定精度，有必要对星敏感器在整星上的布局进行详细设计。
3.现有星敏感器布局设计思路为：设计者根据卫星光照情况和姿态指向，依据自身经验设计星敏感器光轴指向，在此基础上利用stk(satellite tool kit)等软件分析星敏感器光轴与太阳矢量及地心矢量间的夹角变化情况，评估太阳光及地气光对星敏感器的影响，若不满足太阳光及地气光抑制角的要求，设计师需要根据经验调整星敏感器光轴指向，重新进行仿真分析，直至满足要求为止。
4.上述方法比较依赖于设计者经验，需要根据仿真结果对指向设计进行多次迭代，降低了设计效率，而且只能对依据经验选择的有限方案进行仿真分析，难以获取最优设计结果，特别在未来新型卫星的星敏感器布局面临缺乏先验经验的情况。因此，有必要采用一定优化算法，搜索可行设计空间，获取最优设计结果。文章[基于几何位置分析的星敏感器布局研究[j].传感器与微系统,2013,32(12):34-37.]提出一种基于粒子群寻优算法的星敏感器安装布局方法，通过设计合理的粒子群和适应度函数可自动完成最佳星敏感器布局设计，但只适用于单星敏感器布局设计。专利cn 108681617 a首先建立了太阳光、地气光、卫星上其他部件对星敏感器布局的约束，然后以星敏感器光轴间的夹角为优化目标，将多星敏感器布局设计描述为一个标准优化问题，并采用相应的优化算法进行求解，但当卫星轨道的太阳角变化范围较大时，势必出现太阳光进入某个星敏感器视场的情况，因此将所有星敏感器规避太阳光作为约束条件，导致该优化模型不存在可行解，则有必要对该优化模型进行改善。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种航天器的多星敏感器布局的优化方法，建立多星敏感器布局设计的优化模型，并应用多目标遗传算法进行求解，获取多星敏感器最优布局方案。本发明降低了对设计者经验的依赖，避免了传统方法需要手动迭代的缺点，提高了星敏感器布局的设计效率。
[0006]
本发明的技术解决方案：一种多星敏感器布局的优化方法，具体步骤为：
[0007]
一种航天器多星敏感器布局的优化方法，具体步骤如下：
[0008]
步骤一、确定卫星的初始轨道、寿命及任务姿态；明确星敏感器的遮光罩半锥角；
[0009]
步骤二、定义星敏感器光轴矢量，建立星敏感器可用时太阳光及地气光约束表达式；
[0010]
步骤三、建立星敏感器可用率的求解模型：首先根据卫星初始轨道参数，利用轨道外推模型获取卫星寿命期间轨道参数；然后利用天文年历获取卫星寿命期间太阳位置矢量，根据星敏感器可用时太阳光及地气光约束条件，统计卫星寿命期间单星敏及双星敏可用率；
[0011]
步骤四、结合卫星寿命期间单星敏及双星敏可用率的求解模型，构造星敏感器布局的多目标优化模型，并应用多目标遗传算法进行求解，获取每个星敏感器最优指向，实现多星敏感器的最优布局；
[0012]
其中：星敏感器布局的多目标优化模型的设计变量为：选取星敏感器光轴在卫星本体坐标系内的方位角和高低角作为设计变量；
[0013]
考虑星敏感器布局的性能指标，不仅是单一的双星敏可用率，还应该考虑提高姿态测量精度，希望星敏感器光轴方向尽量正交。为兼顾双星敏感器可用率及姿态测量精度，星敏感器布局的多目标优化模型的优化性能指标有：双星敏感器可用率最大，星敏感器间夹角的余弦值最小；
[0014]
星敏感器布局的多目标优化模型的约束为：为保证姿态测量精度，卫星在轨运行期间至少需要一台星敏感器可用，即单星敏感器可用率为100％。
[0015]
进一步的，步骤二中，定义星敏感器光轴矢量，建立星敏感器可用时太阳光及地气光约束表达式具体如下：
[0016]
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与太阳光位置矢量应满足约束其中：θz为遮光罩半锥角；
[0017]
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与地心矢量应满足约束其中：θe为地球遮挡卫星的范围的半锥角，表达式为re为地球半径，r为卫星的地心距。
[0018]
进一步的，定义方位角α为星敏感器光轴在卫星本体坐标系xoy平面内的投影与y轴的夹角，高低角β为星敏感器光轴与卫星本体坐标系xoy平面的夹角，与星敏感器光轴矢量关系为
[0019]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0020]
本发明将太阳光及地气光的约束转换为对星敏感器可用率的约束，解除了太阳光及地气光对星敏感器安装的强约束，避免由于约束复杂导致不存在可行解的情况，因此适用于各类轨道工况。
[0021]
本发明在优化目标选取时引入了星敏感器间的夹角，在星敏感器布局时考虑影响姿态测量精度的因素，使优化模型更加合理和完善。
[0022]
本发明降低了对设计者经验的依赖，避免了传统方法需要手动迭代的缺点，提高了星敏感器布局的设计效率。
附图说明
[0023]
图1为本发明星敏感器光轴矢量在卫星本体坐标系下的表示；
[0024]
图2为本发明优化设计后三星敏感器布局；
[0025]
图3为本发明流程图。
具体实施方式
[0026]
下面以三个星敏感器为例，结合附图对本发明做进一步描述，整个过程如图3所示。
[0027]
步骤1、确定卫星寿命为5年，初始轨道参数见表1，任务姿态为对地定向姿态。
[0028]
表1
[0029][0030][0031]
步骤2、明确星敏感器的遮光罩半锥角θz＝20
°
。
[0032]
步骤3、建立星敏感器可用时太阳光以及地气光约束表达式。
[0033]
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与太阳光位置矢量应满足约束其中θz为遮光罩半锥角。
[0034]
星敏感器可用时，星敏感器光轴矢量与地心矢量应满足约束其中θe为地球遮挡卫星范围的半锥角，表达式为re为地球半径，r为卫星的地心距。
[0035]
步骤4、建立星敏感器可用率的求解模型。
[0036]
首先根据卫星初始轨道参数，利用轨道外推模型获取卫星寿命期间轨道参数。
[0037]
利用天文年历获取卫星寿命期间太阳位置矢量。
[0038]
根据星敏感器可用时太阳光以及地气光约束条件，建立统计卫星寿命期间单星敏感器及双星感器敏可用率的求解模型。
[0039]
步骤5、构建多星敏感器布局的优化模型。
[0040]
星敏感器光轴在卫星本体坐标系下的表示如图1所示。定义方位角α为星敏光轴在卫星本体坐标系xoy平面内的投影与y轴的夹角，高低角β为星敏光轴与卫星本体坐标系xoy平面的夹角。
[0041]
星敏感器光轴矢量描述为。
[0042][0043]
令和分别为三个星敏感器光轴矢量，为提高星敏感器联合定姿的精度，希望星敏感器之间的夹角接近90
°
。
[0044]
定义三个星敏感器间的夹角分别为θ1、θ2及θ3，定义卫星寿命期间单星敏可用率为ηs，双星敏可用率为ηd。
[0045]
构建星敏感器布局的多目标优化指标为
[0046]
考虑相应约束，则三星敏感器布局优化问题可以描述为。
[0047]
优化目标为：
[0048][0049]
相应约束为：
[0050]
ηs＝1；
[0051]-180
°
≤α1,α2,α3≤180
°
；
[0052]-90
°
≤β1,β2,β3≤90
°
。
[0053]
采用多目标遗传算法进行求解，获取每个星敏感器最优指向如图2所示，具体优化结果见表2。
[0054]
表2
[0055][0056]
本实施例中将太阳光及地气光的约束转换为对星敏感器可用率的约束，解除了太阳光及地气光对星敏感器安装的强约束，避免由于约束复杂导致不存在可行解的情况，因此适用于各类轨道工况。在优化目标选取时引入了星敏感器间的夹角，在星敏感器布局时考虑影响姿态测量精度的因素，使优化模型更加合理和完善。
[0057]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。