一种无SADA物联网卫星的区域覆盖设计方法与流程

一种无sada物联网卫星的区域覆盖设计方法
技术领域
1.本发明属于区域覆盖技术领域，具体是指一种无sada物联网卫星的区域覆盖设计方法。


背景技术：

2.通讯卫星一般都是全球全天候提供服务的，由于载荷功率比较大，卫星所带的蓄电池和太阳翼也都比较大，为了满足全球全天候提供服务的需求，载荷是全天24小时开机，且其天线指向中心一直指向地心，太阳翼固定在卫星的
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y面上，并配置了太阳帆板驱动机构(sada)，以驱动太阳翼使太阳电池阵法向始终指向太阳，获得最大化的光能转化为电能为蓄电池充电。
3.但是，由于sada非常昂贵，且一旦使用就会成为卫星可靠性中的单点故障源，造成卫星可靠度降低，因此，在商业物联网卫星的设计中也尽量避免使用sada。在不使用sada的情况下，除了太阳同步轨道中的晨昏轨道，其他轨道上运行的卫星在全程指地任务模式下运行，太阳电池阵所获得的太阳能都会有一定程度的下降。
4.以太阳同步降交点地方时12：00轨道为例，卫星太阳电池阵法向指向卫星本体系-z轴，令太阳直射太阳电池阵时产生的电流为i0，则太阳以β角斜照太阳电池阵时产生的电流则为：i0*cosβ，那么，阳照区卫星在全程指地任务模式下运行，太阳电池阵产生的平均电流为是太阳全程直照太阳电池阵的 63.69％。解决能源获取量下降的方法传统上都采用增加太阳翼布片面积、提高太阳电池布片效率，从而增加太阳电池片的数量，在上述太阳电池阵产生的平均电流下降到63.69％时，需要增加的太阳电池片的数量就是原数量的50％，这一方面增加了卫星的重量，同时也增加了卫星的成本。


技术实现要素：

5.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种无sada物联网卫星的区域覆盖设计方法，设置有效载荷开启的区域范围，在卫星即将进入指定的区域时，自主完成对地定向指向控制，保证在卫星进入指定区域时卫星处于对地指向状态，在卫星进入指定区域时开启有效载荷，完成有效载荷与地面终端的通讯，并保持在指定区域通讯不中断，在卫星驶离指定区域时自主关闭有效载荷。
6.本发明采取的技术方案如下：本发明一种无sada物联网卫星的区域覆盖设计方法，包括如下步骤：
7.1)轨道预报
8.星上获得轨道参数主要通过轨道外推的方式，外推的初始轨道值为火箭发射确定的预订轨道，轨道外推可以采用分析方法，也可以采用数字积分的方法，外推期间使用gps或北斗定位数据对外推参数进行修订，在gps或北斗故障的情况下，可以使用定期地面注入轨道的方式修订轨道外推参数，避免轨道外推结果严重偏离实际轨道，星上软件根据轨道
预报，定时判断是否进入载荷开机范围或开机时间段，判断周期不大于10秒一次，有效载荷的覆盖区域应根据卫星运行方向，预测出卫星运行在指定覆盖区域的时间段，当覆盖时间段小于30s 时，视为不在指定覆盖区域，载荷不开机；
9.2)时间统一
10.鉴于使用的精度和商业卫星的成本问题，卫星上的时间不会采用高精度时钟，而是采用以下方式获取：
11.1、星载晶振计数；
12.2、接收gps或北斗授时，充分利用gps或北斗上的高精度时钟；
13.3、地面授时：授时采用两种方式，绝对时间和相对时间，绝对时间方式是指注入绝对时间直接替换星上时间，gps或北斗授时采用的就是绝对授时方式，地面指令也可以使用这种方式；相对时间授时方式则通过注入时间差的方式，改变星上的时间，地面授时应主要采用这种方式，时间信息会用在姿态确定和轨道外推估计上，因此，时间的错误或者突跳必然会引起姿态确定和轨道外推的错误和突跳；在授时过程中，应尽量避免星上时间系统的大的突跳，注入的时间和星上时间的误差应在一定的误差范围内才会被接受，但是，地面授时不受此限制；
14.3)帆板的预置方向
15.在姿态误差为0时，轨道坐标系与本体系重合，由于轨道角速度的原因，在卫星本体坐标系中，太阳矢量以本体系y轴为中心轴，以轨道角速度ω0，逆时针作圆锥运动，对于顺行轨道，太阳矢量与卫星本体坐标系y轴的夹角θ是不停变化的，比如500km高度的35
°
倾角轨道，轨道面与太阳矢量的夹角在55
°→
90
°
间来回变化，夏至和冬至时角度变化更大，周期约为56天左右，考虑卫星阴影区，卫星在阳照面运行时，一般是卫星本体系-z轴指向太阳，光照角度随卫星轨道面位置和卫星在轨道面的位置变化，在卫星设计时，太阳帆板的预置位置如下：太阳帆板沿卫星本体系y轴展出，太阳帆板上的太阳电池阵法线方向指向卫星本体系-z轴；
16.4)零动量下三轴的机动能力
17.卫星采用指定区域内卫星载荷开机服务的方法，其他区域卫星载荷关机以节约能源，且控制卫星对日指向以最大化获取太阳能，对蓄电池充电，也就是说，卫星在指定的区域中是指地姿态，本体系z轴指向地心，而在指定的区域外是指日姿态，本体系-z轴指向太阳，在卫星运行的每一轨道周期里，或者指日姿态
→
指地姿态
→
指日姿态，或者全程指日姿态，轨道未经指定区域；
18.卫星在轨道中运行的一般方程如下：
[0019][0020][0021]
[0022]
对于零动量卫星，hx＝hy＝hz＝0，卫星的运动方程如下式：
[0023][0024][0025][0026]
式中可以看出，y轴的运动是完全解耦的，而且由于ω0很小，ω
02
可以看做极小量，实际应用时可以忽略，则滚动和偏航运动的运动方程简化成一下式：
[0027][0028][0029]
上式表述的运动是一个圆周运动，由于轨道角速度ω0的陀螺罗盘效应，滚动姿态角和偏航姿态角存在轨道耦合运动，耦合周期为一个轨道周期，但是对于 500km高度的卫星而言，轨道周期约95min左右，而姿态机动的时间控制在 1～2min以内，因而在设计姿态控制规律时，可以忽略滚动姿态角和偏航姿态角间的轨道耦合运动，认为卫星的三轴姿态运动是解耦的；
[0030]
卫星轨道坐标系和惯性坐标系间的关系可以简单的描述为一个轨道坐标系y 轴上的一个轨道角速度ω0，即：在惯性坐标系中轨道坐标系以【0，-ω0，0】旋转，周期就是一个轨道周期，在地心惯性坐标系中，太阳的坐标是不变的，而姿态误差为0时，卫星的本体坐标系和轨道坐标系是重合的，卫星的本体坐标系随着轨道坐标系以【0，-ω0，0】旋转，这就是太阳矢量在卫星本体坐标系中以y轴为轴进行圆锥运动的原因，由于只在y轴上有个角速度，理论上只需要控制卫星y轴角速度便可以实现指日姿态和指地姿态间的转换：控制卫星以【0，ω0，0】匀速旋转，则为指日姿态，控制卫星三轴角速度误差为0，则为指地姿态，这是姿态维持期间的控制规律；
[0031]
从指地到指日姿态，还需要初始角度误差的控制，最大机动角度可达90
°
，若以0.6
°
/s角速度转动，需2.5min完成姿态控制，勉强可以接受，设卫星y轴的惯量矩i＝0.8kgm2,则需要δh＝i
×
ω＝8.37mnms的角动量变化量，考虑到必要的角动量余量，可选择额定角动量为20-40mnms的动量轮，其最大输出力矩为2～4mnm，在这个力矩作用下，产生0.6
°
/s角速度所需要的时间为机动能力满足实际要求
[0032]
5)测控系统的设置
[0033]
卫星遥控必须长期保持工作状态，随时可接受地面遥控指令，测控数传可设置指定地面接收站，在卫星数传即将覆盖指定接收站时，自主完成对地定向指向控制，保证在卫星数传覆盖指定地面接收站时卫星处于对地定向指向状态，在卫星进入覆盖指定地面接收站时开启数传和遥测，完成卫星与地面站间的测控数据通讯，在卫星驶离指定地面站时自主关闭数传和遥测，在仰角为10
°
，卫星轨道高度为600km的前提下，计算得到地面站的有效通信范围为以测控站点为圆心，半径为1778km的圆形范围；
[0034]
星上软件定时计算出卫星当前经纬度和星上预置的4个地面站有效通信范围的经纬度依次进行判断，判定卫星是否进入地面站有效通信范围，判定周期不大于10秒一次；
[0035]
星上数传覆盖区域应根据卫星运行方向，预测出卫星运行在指定覆盖区域的时间
段，当时间段小于1min时，视为不在指定覆盖区域。
[0036]
采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本方案一种无sada物联网卫星的区域覆盖设计方法，设置有效载荷开启的区域范围，在卫星即将进入指定的区域时，自主完成对地定向指向控制，保证在卫星进入指定区域时卫星处于对地指向状态，在卫星进入指定区域时开启有效载荷，完成有效载荷与地面终端的通讯，并保持在指定区域通讯不中断，在卫星驶离指定区域时自主关闭有效载荷。
附图说明
[0037]
图1为本发明无sada物联网卫星的区域覆盖设计方法太阳在卫星本体坐标系中的运动示意图。
[0038]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
如图1所示，本发明无sada物联网卫星的区域覆盖设计方法，包括如下步骤：
[0041]
6)1)轨道预报
[0042]
星上获得轨道参数主要通过轨道外推的方式，外推的初始轨道值为火箭发射确定的预订轨道，轨道外推可以采用分析方法，也可以采用数字积分的方法，外推期间使用gps或北斗定位数据对外推参数进行修订，在gps或北斗故障的情况下，可以使用定期地面注入轨道的方式修订轨道外推参数，避免轨道外推结果严重偏离实际轨道，星上软件根据轨道预报，定时判断是否进入载荷开机范围或开机时间段，判断周期不大于10秒一次，有效载荷的覆盖区域应根据卫星运行方向，预测出卫星运行在指定覆盖区域的时间段，当覆盖时间段小于30s 时，视为不在指定覆盖区域，载荷不开机；
[0043]
7)2)时间统一
[0044]
鉴于使用的精度和商业卫星的成本问题，卫星上的时间不会采用高精度时钟，而是采用以下方式获取：
[0045]
1、星载晶振计数；
[0046]
2、接收gps或北斗授时，充分利用gps或北斗上的高精度时钟；
[0047]
3、地面授时：授时采用两种方式，绝对时间和相对时间，绝对时间方式是指注入绝对时间直接替换星上时间，gps或北斗授时采用的就是绝对授时方式，地面指令也可以使用这种方式；相对时间授时方式则通过注入时间差的方式，改变星上的时间，地面授时应主要采用这种方式，时间信息会用在姿态确定和轨道外推估计上，因此，时间的错误或者突跳必然会引起姿态确定和轨道外推的错误和突跳；在授时过程中，应尽量避免星上时间系统的大的突跳，注入的时间和星上时间的误差应在一定的误差范围内才会被接受，但是，地面授时不受此限制；
[0048]
8)3)帆板的预置方向
[0049]
在姿态误差为0时，轨道坐标系与本体系重合，由于轨道角速度的原因，在卫星本体坐标系中，太阳矢量以本体系y轴为中心轴，以轨道角速度ω0，逆时针作圆锥运动，对于顺行轨道，太阳矢量与卫星本体坐标系y轴的夹角θ是不停变化的，比如500km高度的35
°
倾角轨道，轨道面与太阳矢量的夹角在55
°→
90
°
间来回变化，夏至和冬至时角度变化更大，周期约为56天左右，考虑卫星阴影区，卫星在阳照面运行时，一般是卫星本体系-z轴指向太阳，光照角度随卫星轨道面位置和卫星在轨道面的位置变化，在卫星设计时，太阳帆板的预置位置如下：太阳帆板沿卫星本体系y轴展出，太阳帆板上的太阳电池阵法线方向指向卫星本体系-z轴；
[0050]
4)零动量下三轴的机动能力
[0051]
卫星采用指定区域内卫星载荷开机服务的方法，其他区域卫星载荷关机以节约能源，且控制卫星对日指向以最大化获取太阳能，对蓄电池充电，也就是说，卫星在指定的区域中是指地姿态，本体系z轴指向地心，而在指定的区域外是指日姿态，本体系-z轴指向太阳，在卫星运行的每一轨道周期里，或者指日姿态
→
指地姿态
→
指日姿态，或者全程指日姿态，轨道未经指定区域；卫星在轨道中运行的一般方程如下：
[0052][0053][0054][0055]
对于零动量卫星，hx＝hy＝hz＝0，卫星的运动方程如下式：
[0056][0057][0058][0059]
式中可以看出，y轴的运动是完全解耦的，而且由于ω0很小，ω
02
可以看做极小量，实际应用时可以忽略，则滚动和偏航运动的运动方程简化成一下式：
[0060][0061][0062]
上式表述的运动是一个圆周运动，由于轨道角速度ω0的陀螺罗盘效应，滚动姿态角和偏航姿态角存在轨道耦合运动，耦合周期为一个轨道周期，但是对于 500km高度的卫星而言，轨道周期约95min左右，而姿态机动的时间控制在 1～2min以内，因而在设计姿态控制规律时，可以忽略滚动姿态角和偏航姿态角间的轨道耦合运动，认为卫星的三轴姿态运动是解耦的；
[0063]
卫星轨道坐标系和惯性坐标系间的关系可以简单的描述为一个轨道坐标系y 轴上的一个轨道角速度ω0，即：在惯性坐标系中轨道坐标系以【0，-ω0，0】旋转，周期就是一个
轨道周期，在地心惯性坐标系中，太阳的坐标是不变的，而姿态误差为0时，卫星的本体坐标系和轨道坐标系是重合的，卫星的本体坐标系随着轨道坐标系以【0，-ω0，0】旋转，这就是太阳矢量在卫星本体坐标系中以y轴为轴进行圆锥运动的原因，由于只在y轴上有个角速度，理论上只需要控制卫星y轴角速度便可以实现指日姿态和指地姿态间的转换：控制卫星以【0，ω0，0】匀速旋转，则为指日姿态，控制卫星三轴角速度误差为0，则为指地姿态，这是姿态维持期间的控制规律；
[0064]
从指地到指日姿态，还需要初始角度误差的控制，最大机动角度可达90
°
，若以0.6
°
/s角速度转动，需2.5min完成姿态控制，勉强可以接受，设卫星y 轴的惯量矩i＝0.8kgm2,则需要δh＝i
×
ω＝8.37mnms的角动量变化量，考虑到必要的角动量余量，可选择额定角动量为20-40mnms的动量轮，其最大输出力矩为2～4mnm，在这个力矩作用下，产生0.6
°
/s角速度所需要的时间为机动能力满足实际要求
[0065]
5)测控系统的设置
[0066]
卫星遥控必须长期保持工作状态，随时可接受地面遥控指令，测控数传可设置指定地面接收站，在卫星数传即将覆盖指定接收站时，自主完成对地定向指向控制，保证在卫星数传覆盖指定地面接收站时卫星处于对地定向指向状态，在卫星进入覆盖指定地面接收站时开启数传和遥测，完成卫星与地面站间的测控数据通讯，在卫星驶离指定地面站时自主关闭数传和遥测，在仰角为10
°
，卫星轨道高度为600km的前提下，计算得到地面站的有效通信范围为以测控站点为圆心，半径为1778km的圆形范围；
[0067]
星上软件定时计算出卫星当前经纬度和星上预置的4个地面站有效通信范围的经纬度依次进行判断，判定卫星是否进入地面站有效通信范围，判定周期不大于10秒一次；
[0068]
星上数传覆盖区域应根据卫星运行方向，预测出卫星运行在指定覆盖区域的时间段，当时间段小于1min时，视为不在指定覆盖区域。
[0069]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0070]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0071]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。