两自由度卫星太阳电池阵驱动装置的原理与设计

米海山 季毅巍 张伟 蒋强 杨小菊

【关键词】太阳电池阵 主动跟踪 被动跟踪 控制系统 对日定向

随着通信技术的不断发展和国家建设的需要，导航、通讯等大功率卫星在国防建设和人们日常生活中具有越来越重要的重用。同时，这些卫星对能量的需求也逐渐的增多。处于太空中的卫星失去了地面的支持后，除去自身携带的能源供应外，就只有通过利用宇宙能源来满足自身的能量需求。在太空，卫星最常用的宇宙能源就是太阳能。要想充分吸取太阳的能量，除了良好的太阳能电池阵外，还必须使太阳能电池阵法线时刻与太阳光线平行，这样才能得到更多的太阳能量。

目前在国内，大部分航天器上的太阳电池阵都采用单自由度驱动，该驱动方式使太阳电池阵只能在俯仰方向上实现对日定向，而水平方向上只能通过调整卫星的姿态才得以实现。通过调整卫星的姿态来控制太阳电池阵在在水平方向上对日定向，这种方式增大了卫星姿态的控制难度，而且对日定向精度不高，不能够有效地实现太阳电池阵的对日定向，以使得太阳电池阵的发电效率受到限制。在国外航天器太阳能电池阵早已采用双自由度驱动方式，此驱动机构可以使得太阳电池阵在全方位空间内实现对日定向。在卫星姿态保持不改变的情况下，可以通过控制方位轴与俯仰轴的运动，实现太阳电池阵实时的对日定向，从而提高太阳电池阵的发电效率，为航天器提供源源不断的电能。

因此，本文设计了一种适于多数轨道特征航天器的新型两自由度卫星太阳能电池阵驱动装置，该装置对于太阳能电池阵在太空提高对太阳能的利用率，改善航天器的整体性能和寿命具有重大意义。

1 跟踪原理

该驱动装置具有两种可自行切换的跟踪方式：主动跟蹤和被动跟踪。

主动跟踪是通过编写软件实现对光线跟踪的一种方式。在主动跟踪过程中，上位机根据卫星运行的轨道以及卫星所处位置的相关参数计算出太阳电池阵下一个预定位置并将数据发送给控制器，控制器将上位机所发送的数据与编码器检测的跟踪轴位置的差值转化为步进电机转动的脉冲数，控制太阳电池阵旋转到这个预订位置。

被动跟踪是利用太阳敏感器跟踪太阳光线的一种方式。在本设计中，被动跟踪包括粗略跟踪和精确定位。粗略跟踪是利用太阳敏感内壁上的普通硅电池光线的照射并转化为电压信号并传送到控制器，控制器根据所传送来的电压信号判断两个电机的转向使得太阳电池阵转动到底部的四象限硅电池能够检测到太阳光斑的位置。而精确定位则是四象限硅电池利用光斑输出不同的电流信号，这些信号经放大和滤波后通过定时器采样传送至控制器中的A/D转换模块上。根据A/D的采样值，控制器将输出两个电机的转向和所运行的脉冲数去控制太阳电池阵转动到太阳敏感器主光轴与太阳电池阵法线平行的位置。

在本系统里，通过比较太阳敏感器转化的电压信号值和设定的跟踪闭值，控制器判断系统采用哪种跟踪方式：当太阳光照强度较强时，控制器所得到的电压信号值大于跟踪闭值，系统采用被动跟踪来捕捉太阳光线。当太阳光照强度较低时，控制器所得到的电压信号值小于跟踪闭值，系统采用主动跟踪来跟踪太阳光线。

1.1 主动跟踪方式

对于主动跟踪，星体计算机如何利用卫星所在的位置近似计算太阳光线在卫星运行轨道上某一点的水平角与俯仰角是至关重要的。为了得到太阳光线在轨道上水平角和俯角的直观解析表达式，Kalweit引入了地心黄道坐标系（图1），并在黄道坐标系下描述卫星在运动过程中太阳光线的运动规律。

定义卫星在地心黄道坐标系下的轨道根数如表1。

卫星确定运行的轨道之后，等相关参数就随之确定。由于黄赤交角的存在和一般是不一样的，据轨道动力学的相关知识，可以求得和对应的关系。

在地心黄道坐标系下太阳方向的单位矢量表示为：

（1）

通过坐标变换，可以得到太阳方向单位矢量在轨道坐标系中的表示：

（2）

其中：

通过如下方程定义太阳的方位角和俯仰角：

（3）

结合（2）和（3）式易得：

从而可得：

其中：k为整数，，取k为偶数，时，取k为奇数。

1.2 被动跟踪方式

被动跟踪方式主要由太阳敏感器和驱动机构配合控制器完成对太阳光线的对日定向。太阳敏感器的结构如图3所示。

太阳敏感器由传感器和信号处理电路组成。传感器由四块普通硅电池和一块四象限硅电池组成。A1、B1、C1、D1 四个区域分别位于四象限光电池的A、B、C、D四个象限的正上方。如图4所示。

传感器是将太阳光线转化为电信号，信号处理电路的主要功能是将对传感器传送来的电信号进行进行处理并经过控制器的输入端口传送至控制器的A/D采集模块。太阳敏感器的基本探测原理是太阳光线穿过通光孔在安装在四周的普通硅电池上形成光斑，控制器会控制太阳电池阵带动太阳敏感器转动到光斑落到底部四象限硅电池上的位置，此过程为系统的粗略跟踪。只要光斑落到底部四象限硅电池上，系统开始对太阳光线进行精确跟踪。由于光斑在四象限硅电池中分布不均匀，四个象限所产生的电信号是不同的。系统将根据四个象限所产生的不同信号去计算太阳电池阵法线与太阳光线在水平方向和俯仰方向上的夹角并转化成电机转动的脉冲数，控制步进电机旋转到预定，此过程对太阳光线精确定位。太阳电池阵主轴上的编码器实时的记录旋转的角度并判断步进电机是否在运行过程中失步，以精确跟踪太阳光线。

随着太阳光线的移动和卫星位置的变化，太阳光线与太阳电池阵法线的夹角不断增大。在太阳敏感器内部所形成的光斑就会落在内壁上的普通硅电池上（如图5所示），而不会落在底部四象限硅电池上。此时系统先对太阳光线进行粗略跟踪。例如，光斑落在B1的区域内时，B1受到光线的照射产生电信号送至控制器，控制器根据该电信号控制太阳电池阵带动太阳敏感器在x轴上逆时针旋转，在y轴上顺时针旋转，直到光斑落到底部的四象限硅电池上（如图6所示）。此时，B1区域没有电信号产生，系统完成对太阳光线粗略跟踪。

在太阳敏感器内上形成的光斑经过粗略跟踪之后移动四象限硅电池上。此时系统具备对太阳光线精确定位的条件。由于光斑在四个象限上不均匀分布，四象限光电池输出大小不同的四个电信号。控制器通过分析这四个电信号得出太阳电池阵法线与太阳光线之间的夹角并把该夹角转化控制步进电机转动的脉冲数，控制太阳电池阵旋转到预定位置。此时，光斑位于四象限光电池的平面中心（如图7所示），四象限光电池输出大小相同的四个电信号。系统完成对太阳光线的精确定位。

2 控制系统实现

本设计采用TMS320F28335型DSP芯片做为控制系统的核心。该芯片能够以150MHz频率进行工作，且可以实现浮点运算，提高了系统的运行速度。同时，芯片内部集成有串行通信模块、ePWM模块、A/D转换器等模块，可满足控制系统各项功能要求。图8为系统的控制框图。

该系统主要包括：主控制器、电机及驱动器、太阳敏感器、光电编码器、上位机等。系统能够完成对太阳光线的正常跟踪和快速捕捉，在紧急情况下的应急归零，以及卫星进入阴影区后的保持锁定。

3 结论

本文设计的跟踪控制系统具有以下特点：

（1）系统具有较好的稳定性且运算速度快，利用其内部的ePWM模块简单有效地控制电机运动；

（2）通过设置不同的参数，该系统可以应用在不同轨道，应用灵活且可以实现地面的远程控制；

（3）在主动跟踪的方式中，系统按照编写好的程序控制太阳电池阵转动，是一种开环控制方式；

（4）跟踪范围广，传感器结构简单、价格低廉和跟踪稳定。

而在跟踪方法方面具有以下特点：

（1）主动跟踪和被动跟踪是两种独立的跟踪方式，系统可以根据太阳光线的辐射强度判断采用哪一种跟踪方式；

（2）如果系统在运行的过程中遇到突发事件，地面指挥中心可以通过星体上的上位机控制太阳电池阵转动，避免危机情况的发生；

（3）被动跟踪是在光辐射强度较强的条件下对日跟踪，而主动跟踪可以在任何的气候条件下对日跟踪。也就是主動跟踪在光辐射强度较强的情况下实现对被动跟踪的冗余，这对于要求可靠性高的航天工程具有重大意义。

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