[发明专利]一种适用于惯性空间观测卫星的热环境保障设计方法

说明书

本发明涉及一种适用于惯性空间观测卫星的热环境保障设计方法：(1)、确定惯性空间观测卫星本体坐标系和固定对日面；(2)、设计姿态控制算法，使卫星观测时星体各面可能出现的最大太阳照射角与热控设计对星体的受照约束中所要求的卫星本体各面最大太阳照射角约束之间的差距最小；(3)、协同设计观测卫星星体固定对日面遮阳装置尺寸和科学观测约束条件，使得卫星执行满足观测约束条件的观测任务时，始终满足星体受照约束要求；(4)、判断步骤(3)所确定的观测约束是否在科学观测可接受范围内，是，则结束，否则，重新执行步骤(2)～(4)。本发明为卫星平台和有效载荷热控设计提供较好的太阳受照条件，降低了卫星热控系统设计难度。

技术领域

本发明涉及卫星姿态模式和在轨热环境条件设计，适用于各种轨道、多种惯性定向姿态需求的卫星总体设计，尤其适合对遍布宇宙空间的惯性天体源进行长期观测、且科学载荷有低温控制要求的空间天文卫星的总体设计。

背景技术

卫星热环境保障设计是指通过卫星总体方案设计(如轨道、工作模式等)为卫星热控系统提供良好的设计条件，多指在轨长期运行时卫星各面和星上有特殊温度要求的设备的太阳照射和地球红外及反照条件，尤其是太阳照射条件。一般应尽量保障卫星各面受照规律，避免由于照射条件突变导致的温度较大波动，如通过总体方案设计保证卫星有固定的对日面或对地面、非散热面受照规律、有固定背阳面或受照角度较小的面可作为散热面，以及有低温控制要求的有效载荷或蓄电池安装面等应避免太阳照射等。

卫星总体的热环境保障条件设计主要包括：卫星轨道设计、卫星姿态控制模式设计、结构构型设计以及在轨姿态指向约束条件设计。通常几个方面高度耦合，而轨道设计和卫星姿态指向及其约束又与任务需求密切相关。

对于有地面指向需求的任务，如对地遥感、通信、导航等，都有固定的对地面(假设星体+Z轴对地、飞行方向为+X轴)，且每轨太阳绕星体+Y轴照射卫星一圈。而不同的运行轨道(如太阳同步轨道、地球同步轨道以及倾斜轨道)，轨道特性不同，太阳入射角变化范围和变化规律不同，各面的照射条件也不同。其中太阳同步轨道太阳入射角变化通常不超过10°，地球同步轨道太阳入射角基本固定，卫星一般采用对地定向三轴稳定姿态，通常有一个面始终不会受照。而倾斜轨道太阳入射角变化范围很大，采用对地定向动态偏航跟踪的卫星(如导航IGSO、MEO任务)受照条件与太阳同步轨道卫星基本一致；而采用对地定向三轴稳定姿态的卫星，由于在轨姿态固定，太阳受照条件可以在设计阶段预知，而对温度要求较高任务通常通过复杂的等温化设计来实现温度控制。

对于对日指向需要的任务，如某些太阳观测或空间环境监视任务，卫星对日面固定，其他各面均不受照，虽然卫星对地姿态与运行轨道有关，但可通过太阳运动和轨道运动预知，且地球红外和地球反照相对于太阳直射而言对温度的影响要小。

对于无长期严格指向需求的任务，如飞船、深空探测等任务，通常在不同的任务期间采用对日定向、对地定向、对地偏航或者对月定向等不同的运行姿态。虽然热环境设计条件较单一姿态复杂，但变化仍在有限范围内，且在设计阶段很容易预知，此类任务对不同阶段转换期间的温度稳定性也没有很高的要求。

上述各种情况对卫星总体热环境保障设计的要求不高。而对于以下情况，则必须要从卫星总体设计上进行整星热环境条件的统筹设计，以降低热控系统设计难度。

1)指向目标遍布宇宙空间的任意惯性指向卫星。

现今，卫星功能朝多样化的方向发展，出现了很多非固定姿态卫星。如对遍布全天球的宇宙天体进行长时间科学观测的各波段空间天文台(如硬X射线调制望远镜卫星)等。对于此类卫星，由于观测目标不断变化，且任意分布，因此卫星在轨姿态变化频繁，太阳、地球相对卫星的方位可能是任何情况，在轨状态复杂且难以在设计阶段完全预知。

2)同时具有多种不同惯性姿态指向控制模式的卫星。