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《衛(wèi)星太陽電池陣太陽入射角計算》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、http://www.paper.edu.cn衛(wèi)星太陽電池陣太陽入射角計算王立國南京航空航天大學高新技術研究院，江蘇南京（210016）摘要：微小衛(wèi)星多數(shù)采取體裝式太陽能電池方法來收集能量，對于低軌太陽同步軌道衛(wèi)星，由于其正常飛行時各太陽電池陣太陽入射角呈周期變化，因此在電池陣輸出能量及能量平衡計算中，作為輸入條件的太陽入射角的計算就顯得尤為重要。本文針對近地圓軌道衛(wèi)星體裝式太陽電池陣設計中的太陽入射角的計算，通過矢量坐標變換和矢量點積方法求解太陽入射角，去除地球陰影遮擋和不合理數(shù)據(jù)得到準確的軌道周期內(nèi)的太陽入射角準確變化情況；該方法簡潔易懂，易于編程
2、計算，適用于凸表面體裝式太陽電池陣太陽入射角計算，可用于三軸穩(wěn)定和自旋穩(wěn)定衛(wèi)星；并通過一具體算例對該方法加以說明。關鍵詞：太陽入射角；坐標變換；體裝式太陽電池陣引言很多微小衛(wèi)星都采取體裝式或固定展開式太陽能電池陣來收集能量，例如航天清華一號[1]微小衛(wèi)星、哈工大的探索一號小衛(wèi)星、清華的納星一號、中科院的創(chuàng)新一號微小衛(wèi)星等，對于此類低軌太陽同步軌道衛(wèi)星，由于其正常飛行時各太陽電池陣太陽入射角呈周期變化，因此在電池陣輸出能量及能量平衡計算中，作為輸入條件的太陽入射角的計算就顯得尤為重要。本文針對某微小衛(wèi)星的太陽電池陣設計中的太陽入射角計算問題，利用矢量坐標
3、變換和矢量點積方法求解各太陽電池陣面的太陽入射角，為電源系統(tǒng)設計提供必要的輸入條件，同時為衛(wèi)星總體初步估算太陽電池陣輸出功率提供支持。1.太陽入射角計算方法建立地心慣性坐標系OXYZ，衛(wèi)星本體坐標系OXYZ，設由體坐標系到地心慣00001111v性坐標系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣為A；設電池片外法線矢量在體坐標系下描述為r，則轉(zhuǎn)換到地01iv心慣性坐標系的矢量坐標R為：ivvR=Ari01i（1）vv設太陽光矢量在地心慣性坐標系下的矢量為R，R可參考文獻[2]、[3]計算得到。則ss太陽光與各面外法線矢量之夾角的余弦值可表示為：vvv∧vR?Riscosα=cos
4、RR=vviisRRis（2）vv上式中R,R均可為時間的函數(shù)。isoooo當0≤α≤90時太陽光照不到該面，當90<α<180時，太陽光能夠照到該面，iio太陽光線與其面外法線夾角（即太陽入射角）β=180?α；又考慮到地球的遮擋，設iit∈[t,t]時，衛(wèi)星處于光照區(qū)，當t∈[t,t]時，衛(wèi)星處于地球遮擋的陰影區(qū)；太陽kk+1k+1k+2入射角可寫為：-1-http://www.paper.edu.cnooo?180?α當90<α<180且t∈[t,t]時iikk+1βi=?ooo90當0≤α≤90且t∈[t,t]時?ik+1k+2（3）圖1所示為
5、計算過程得到的角度的處理過程。圖1太陽入射角計算處理過程示意圖2.輸出功率估算設粘貼太陽電池片的各面面積為A，太陽光強為S，面積利用率為η，光電轉(zhuǎn)換效率i為γ，F(xiàn)表示太陽陣設計和衰減系數(shù)的總和，電池的輸出功率可寫為：nP(t)=∑SAisinβi(t)ηγFi=1（4）軌道平均輸出功率為：1TP=∫P(t)（5）T03.算例如圖2所示，某衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，設太陽光與軌道面夾角為β，軌道面與太陽光線照射地球所形成的柱面相交得到橢圓方程為：?2222Z(sinβ)+X=R00e?Y=0?0（6）衛(wèi)星軌道方程為：222?X+Z=(R+h)00e?Y=0?0
6、（7）-2-http://www.paper.edu.cn圖2衛(wèi)星進出地球陰影示意圖式（1）與式（2）聯(lián)立求解，可得圖中標示出的A、B、C、D四點的坐標值22222R?(R+h)sinβ(R+h)?Reeee（±,0,±）。由此可求出衛(wèi)星運行時何22cosβcosβ時處于地球陰影區(qū)。圖中所示的參數(shù)：22(R+h)?Reeθ=arctan222R?(R+h)sinβee(8)T本例中衛(wèi)星姿態(tài)角速度為[0,?2π/T,0]，由體坐標系到地心慣性坐標系的坐標轉(zhuǎn)[4]換矩陣為：?cos(?2π?t/T)0?sin(?2π?t/T)???A=01001????s
7、in(?2π?t/T)0cos(?2π?t/T)??（9）則在體坐標系下的任意外表面外法線矢量轉(zhuǎn)換到地心慣性坐標系下可寫為：?cos(?2π?t/T)0?sin(?2π?t/T)?vv??vR=Ar=010ri01i??i??sin(?2π?t/T)0cos(?2π?t/T)??(10)太陽光矢量在地心慣性坐標系下可描述為：v[]TR=0,1cotβs（11）由式（2）可以求出任意表面外法線與太陽光線矢量的夾角。一個軌道周期內(nèi)，假設計算由B點開始，即衛(wèi)星處于B點時，t=0，那么，當3330≤t≤2(π+2θ)πr/μ時衛(wèi)星處于光照區(qū)；當2(π+2θ)π
8、r/μ
