專利名稱：一種太陽矢量測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量方法，具體地涉及一種太陽矢量測量方法及 其裝置。
背景技術(shù)：
在航天器姿態(tài)控制過程中，主要使用太陽敏感器、星敏感器、磁 強(qiáng)計(jì)及陀螺等部件，其中太陽敏感器是航天器對日控制、太陽翼對曰 控制中使用的關(guān)鍵部件，對于保障航天器能源供應(yīng)及可靠運(yùn)行具有重 要作用。
太陽敏感器主要是用于測量太陽光線，在目前使用的太陽敏感器
中，主要有0-l太陽敏感器、數(shù)字太陽敏感器及小孔成像太陽敏感器 等。O-l太陽敏感器只給出幾個大方向是否見太陽的測量信息，基本
沒有角度測量精度要求；數(shù)字太陽敏感器通過窄縫光線照射在不同的
碼道來測量太陽方向，角度測量范圍一般在±64°之間，測量精度在 0.03°左右；小孔成像太陽敏感器則通過測量小孔成像圖形來測量太 陽方向，角度范圍及測量精度與數(shù)字太陽敏感器類似?？傮w來說，傳 統(tǒng)的太陽敏感器測量的太陽光線的精度都比較低，這種精度僅能用于 對曰捕獲及姿態(tài)控制精度要求不高的控制過程，對于高精度的姿態(tài)控 制，還需要星敏感器及高精度陀螺等其它設(shè)備協(xié)同完成測量太陽矢 量，雖然星敏感器實(shí)施的太陽矢量測量的精度比較高，精度可以達(dá)到 2-3角秒，但是星敏感器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所需要的成本比較高，設(shè) 計(jì)好的星敏感器也至少也得l-2公斤，這大大增加了星載設(shè)備的復(fù)雜 度。目前還沒有這樣一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉卻能達(dá)到同樣技術(shù)效果 的太陽矢量測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容
4本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高 并且測量范圍寬的太陽矢量測量的裝置。本發(fā)明的另 一發(fā)明目的是提 供一種簡單的太陽矢量測量方法。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案為
一種太陽矢量測量方法，包括以下步驟
S1:設(shè)在空間放置iV個方向不同平板拼接在一起的立體結(jié)構(gòu)，在這 M個平板平面上設(shè)置有太陽能電池片，其中3^M2JV，每個太陽電池
片的正負(fù)極分別連接到各自的負(fù)載電阻上；
S2:測量出每個平板平面的法向矢量為/ ,;0,i,mc),其中各 個平面的法向矢量由平板的結(jié)構(gòu)構(gòu)型決定，其中"l,…,M; S3:測量Af個電阻上的電壓；
S4:根據(jù)M個電阻上的電壓計(jì)算出每個平面上的太陽電池片的輸
出功率(/UPw2, ...，&m);
S5:設(shè)太陽矢量^S。(cosa,cosAcos",利用各太陽能電池片的接
收功率值與各平面間的幾何構(gòu)形關(guān)系 & = S S, 51。cos a + w,2 cos A +附,3 cos力，以及利用太陽矢量空間角的 余弦平方和為l的條件，計(jì)算得到太陽光線矢量的幅值&和各方向角 余弦(cos a,cos々，cos y)，從而得出該立體結(jié)構(gòu)的太陽矢量 ^5"o(cosa,cosy^,cos"。
所述步驟Sl中的iV個平面為3個或4個平面。
所述步驟S1中的M個平面為3個或4個平面。
該裝置包括由W個平板拼接成的立體結(jié)構(gòu)，以及安裝在平板上的 M個太陽能電池片，其中所述的太陽電池片的正負(fù)極分別連接到各自 的負(fù)載電阻上，其中32M^JV。
所述W個平板是3個或4個。
所述M個平板是3個或4個。
所述的平板拼接結(jié)構(gòu)是對稱結(jié)構(gòu)。
有益效果
本發(fā)明太陽矢量測量儀精度高可以達(dá)到1,2角秒，成本低(結(jié)構(gòu)
簡單，器件少，對器件要求不高)，重量輕(〈100g—一現(xiàn)設(shè)計(jì)為5cm x 5cmx 3cm = 75cm3，即便按純鋁實(shí)心立體的 一半來算75 x 2.7/2 = 101g,而實(shí)際重量會小于此值)。


圖1為本發(fā)明在取平面?zhèn)€數(shù)M:3時的太陽矢量測量儀的幾何結(jié)
構(gòu)；
圖2為本發(fā)明在取平面?zhèn)€數(shù)il^4時的太陽矢量測量儀的立體結(jié)構(gòu)。
圖中X:三維坐標(biāo)軸中的X軸，Y:三維坐標(biāo)軸中的Y軸，Z: 三維坐標(biāo)軸中的Z軸，3:太陽矢量，"太陽矢量與X軸的夾角，-: 太陽矢量與y軸的夾角，k:太陽矢量與z軸的夾角，1:為平面AC0 的法向矢量，;為平面BCO的法向矢量，遼為平面ABC的法向矢 量,",、"2 、 w3 、 w4: 法向矢量。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的將若干塊法向矢量不同的平面拼接 在一起，并在每個平面上安裝一塊太陽能電池片，由于安裝在不同平 面上的太陽能電池片接收太陽能量的不同，利用各太陽能電池片的接 收功率值與各平面間的幾何構(gòu)形關(guān)系可以計(jì)算得到太陽光線矢量的 幅值和方位角，從而實(shí)現(xiàn)對太陽方向的測量。這種設(shè)計(jì)方法實(shí)際是利 用太陽光線矢量與接收太陽能量的太陽能電池片之間的光能關(guān)系實(shí) 現(xiàn)的太陽光線矢量測量。
設(shè)在空間中放置7V(a^3, iV為整數(shù))個方向不同的平面，可以在 每個平面上貼上太陽能電池片，也可以在一部分平面上貼上電池片，
只要滿足貼電池片的平面是三個以上即可。這里假設(shè)在7l^個平面上貼 上電池片，3SMSW，每個平面的法向矢量巧,-0,i,wc3)，(其中 ,^, 分別為矢量A在空間坐標(biāo)系OXYZ下的坐標(biāo)值，如圖l、 2所 示，為保證計(jì)算基準(zhǔn)相同，取^U/ = 1,2,...,M)的模值相同)其中 / = 1，...,M，同時設(shè)太陽矢量S^。(cosa,cosAcos"，(其中S。為太陽矢量的 幅值，cosa,cosAcosy為太陽矢量的空間角)，M個平面上的太陽能電池
片接收到的太陽能功率為(尸^尸w,...,尸v^),則有
4 = S 5, = iS0 (/wn cos a + m,2 cos々+附/3 cos " (1)
這里(尸W,尸w, ...， /^M)由包括太陽能電池片的光電轉(zhuǎn)換電路測量
得到，m^W，…,M〃W，…，3)由平面幾何結(jié)構(gòu)決定，故式(l)中僅有So 和a,A^為未知量。根據(jù)cos2" + cos2" + cosV-l ，從式(l)中可求出S0 和空間角a,Ar，即獲得了太陽矢量》。
下面根據(jù)附圖給出三個平面和四個平面拼接成太陽矢量裝置對 太陽矢量計(jì)算的具體描述。
如圖l，設(shè)在空間中放置3個方向不同的平面，每個平面的法向
其中/ = 1,2,3 ，同時設(shè)太陽矢量 SKcx)sa，eo W"，每個平面上的太陽能電池片接收到的太陽能功
率為fPvv/,尸v^，尸w)，則有
i^, = S. g =5^ (mn cos a +附/2 cos / + m/3 cos (11)
<formula>formula see original document page 7</formula>設(shè)
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１３)
則有
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１４)
設(shè)M纟為M;的逆矩陣，并設(shè)
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１５)
則有
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１６)即
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１７)
又有cos2 a + cos2 yff + cos2 y = 1 ， 可得
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１８)
即
<formula>formula see original document page 8</formula>　(１９) <formula>formula see original document page 9</formula>(19)
這里(P^P^,i^)由包括太陽能電池片的光電轉(zhuǎn)換電路測量得到， 《'(/",2,3;7、l，2，3)由平面幾何結(jié)構(gòu)決定，故經(jīng)計(jì)算可求出式(19)中 代入式(17)中可求出方向角，從而獲得了太陽矢量S。 太陽矢量既可以釆用三個平面拼接的結(jié)構(gòu)測量，也可以釆用四個 對稱平面拼接測量獲得，這時可以利用平面的對稱性來簡化計(jì)算。如 圖2所示，設(shè)標(biāo)有矢量方向的四個對稱平面的法向矢量分別為 "i =On，0，w13) ， "2 =(0,w22,m23) , "3 =(—附u,0，附,3) ， "4 = (0,-附22，m23),有
Pwl = S & = S。(m^ cos a + m13 cos " <尸M =^'H2 =S。022cos/ + w23cos" (21) _Pw3 = S 53 = 5^(-附n cos a + w13 cos ^4 S。(_w22 cos 〃 + m23 cos "
利用上式的對稱性可得出
證《廣。/(2&附u) <COS/ = (H)/(2V722) (22) COS, = (Pwl + JPw3)/(2Vn13)
由cos2 a + cos2々+ cos2 ;r = 1 ， 可得 S0 = V(4 —尸")2《2 )2 + (4 —尺3)2 /(2附12)2 + (戶"+ 4)2 /(2附13)2 (23)
實(shí)際上，太陽矢量的測量也可以由更多的平面拼接結(jié)構(gòu)獲得，這 樣可以通過統(tǒng)計(jì)的方法得到優(yōu)化的測量結(jié)果，降低測量誤差，基本算 法的原理與三個平面和四個平面拼接的方法類似。
實(shí)現(xiàn)這樣的測量方法的裝置包括由iV個平板拼接成的立體結(jié)構(gòu)， 以及安裝在平板上的M個太陽能電池片，3SM^iV，其中每個太陽電 池片的正負(fù)極分別連接到各自的負(fù)載電阻上。
這樣的平板可以是鋁合金等任何材質(zhì)的，只要能夠把太陽電池片 貼上即可。
對于四個平面拼接結(jié)構(gòu)，其實(shí)施流程可歸納如下所述的八個步 驟，三個平面拼接結(jié)構(gòu)或多個拼接平面的實(shí)現(xiàn)過程與其類似。
1) 按圖3所示的結(jié)構(gòu)加工平面，在圖中指示法向矢量的四個平 面為有效利用平面；
2) 在這四個平面上貼太陽電池片；
3) 四個太陽電池片的正負(fù)極分別連接到各自的負(fù)載電阻上；
4) 測量四個電阻上的電壓；
5) 根據(jù)四個電阻上的電壓、電壓和功率之間的關(guān)系計(jì)算出太陽 電池片的輸出功率；
6) 根據(jù)式(23)和(22)計(jì)算太陽矢量的模值So和方向余弦；
7) 輸出太陽矢量5=S。 (cosa,cos;5,cos"。
本發(fā)明的太陽矢量測量裝置，其測量范圍是由太陽能電池片所能 接收到的光線范圍決定的，是由拼接的形狀和平面坡度決定的，不同 的拼接形狀測量范圍是不同的，但總體來說都能達(dá)到 一個較好的視角 范圍，如果選用四個平面其坡度為1: 2，則測量范圍為126度。
本發(fā)明太陽矢量測量儀精度高，測量精度僅受限于測量電壓的 A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的精度，若選用18bit的A/D轉(zhuǎn)換器，測量范圍在90 度時，則測量精度為90/218 =1.2角秒；且由于結(jié)構(gòu)簡單，所需器件 少，對器件要求不高，而降低了成本，假如設(shè)計(jì)成5cmx5cmx3cm =75cm3,選用純銷實(shí)心立體，按其一半來算75 x 2.7/2 = 101g，而實(shí)
際重量會小于此值。
權(quán)利要求
1.一種太陽矢量測量方法，其特征在于，包括以下步驟S1設(shè)在空間放置N個方向不同平板平面拼接在一起的立體結(jié)構(gòu)，該立體結(jié)構(gòu)取M個平板平面在其上設(shè)置有太陽能電池片，其中3≤M≤N，每個太陽電池片的正負(fù)極分別連接到各自的負(fù)載電阻上；S2測量出每個平板平面的法向矢量為<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mover><mi>n</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>m</mi><mrow> <mi>i</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>m</mi><mrow> <mi>i</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>m</mi><mrow> <mi>i</mi> <mn>3</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2007101785767C00011.gif" wi="31" he="4" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中各個平面的法向矢量由平板的結(jié)構(gòu)構(gòu)型決定，其中i＝3，...，M；S3測量M個電阻上的電壓；S4根據(jù)M個電阻上的電壓計(jì)算出M個平面上的太陽電池片的輸出功率(Pw1，Pw2，...，PwM)；S5設(shè)太陽矢量<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mover> <mi>S</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>=</mo><msub> <mi>S</mi> <mn>0</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>cos</mi> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>cos</mi> <mi>&beta;</mi> <mo>,</mo> <mi>cos</mi> <mi>&gamma;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2007101785767C00012.gif" wi="41" he="4" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->利用各太陽能電池片的接收功率值與各平面間的幾何構(gòu)形關(guān)系
2、 如權(quán)利要求l所述的太陽矢量測量方法，其特征在于，所述步 驟Sl中的iV個平面為3個或4個平面。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的太陽矢量測量方法，其特征在于，所 述步驟S1中的M個平面為3個或4個平面。
4、 一種太陽矢量測量裝置，其特征在于，該裝置包括由7V個平板 拼接成的立體結(jié)構(gòu)，以及安裝在M個平板上的M個太陽能電池片，其 中所述的太陽電池片的正負(fù)極分別連接到各自的負(fù)載電阻上，其中
5、如權(quán)利要求4所述的太陽矢量測量裝置，其特征在于，所述7V 個平板是3個或4個。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的太陽矢量測量裝置，其特征在于，所 述M個平板是3個或4個。
7、如權(quán)利要求4-6任一項(xiàng)所述的太陽矢量測量裝置，其特征在 于，所述的平板拼接結(jié)構(gòu)是對稱結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種太陽矢量測量方法及其裝置，本發(fā)明采用若干個具有不同方向的平面組成一個立體結(jié)構(gòu)、并在每個平面上安裝太陽電池片，通過測量在不同平面內(nèi)接收的太陽能功率，以及根據(jù)太陽能功率的測量值和各平面之間的相對幾何關(guān)系，可以計(jì)算出太陽矢量的幅值和空間角，從而實(shí)現(xiàn)了太陽光線矢量的測量。
文檔編號G01B11/00GK101182991SQ20071017857
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者蘭盛昌, 雷 刑, 蕊 孫, 徐國棟, 曹星慧, 李冬柏, 董立珉, 丹 趙, 健 陳 申請人:徐國棟