米海山 季毅巍 張偉 蔣強 楊小菊

【關(guān)鍵詞】太陽電池陣 主動跟蹤 被動跟蹤 控制系統(tǒng) 對日定向

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和國家建設(shè)的需要，導(dǎo)航、通訊等大功率衛(wèi)星在國防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ钪芯哂性絹碓街匾闹赜?。同時，這些衛(wèi)星對能量的需求也逐漸的增多。處于太空中的衛(wèi)星失去了地面的支持后，除去自身攜帶的能源供應(yīng)外，就只有通過利用宇宙能源來滿足自身的能量需求。在太空，衛(wèi)星最常用的宇宙能源就是太陽能。要想充分吸取太陽的能量，除了良好的太陽能電池陣外，還必須使太陽能電池陣法線時刻與太陽光線平行，這樣才能得到更多的太陽能量。

目前在國內(nèi)，大部分航天器上的太陽電池陣都采用單自由度驅(qū)動，該驅(qū)動方式使太陽電池陣只能在俯仰方向上實現(xiàn)對日定向，而水平方向上只能通過調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)才得以實現(xiàn)。通過調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)來控制太陽電池陣在在水平方向上對日定向，這種方式增大了衛(wèi)星姿態(tài)的控制難度，而且對日定向精度不高，不能夠有效地實現(xiàn)太陽電池陣的對日定向，以使得太陽電池陣的發(fā)電效率受到限制。在國外航天器太陽能電池陣早已采用雙自由度驅(qū)動方式，此驅(qū)動機構(gòu)可以使得太陽電池陣在全方位空間內(nèi)實現(xiàn)對日定向。在衛(wèi)星姿態(tài)保持不改變的情況下，可以通過控制方位軸與俯仰軸的運動，實現(xiàn)太陽電池陣實時的對日定向，從而提高太陽電池陣的發(fā)電效率，為航天器提供源源不斷的電能。

因此，本文設(shè)計了一種適于多數(shù)軌道特征航天器的新型兩自由度衛(wèi)星太陽能電池陣驅(qū)動裝置，該裝置對于太陽能電池陣在太空提高對太陽能的利用率，改善航天器的整體性能和壽命具有重大意義。

1 跟蹤原理

該驅(qū)動裝置具有兩種可自行切換的跟蹤方式：主動跟蹤和被動跟蹤。

主動跟蹤是通過編寫軟件實現(xiàn)對光線跟蹤的一種方式。在主動跟蹤過程中，上位機根據(jù)衛(wèi)星運行的軌道以及衛(wèi)星所處位置的相關(guān)參數(shù)計算出太陽電池陣下一個預(yù)定位置并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器將上位機所發(fā)送的數(shù)據(jù)與編碼器檢測的跟蹤軸位置的差值轉(zhuǎn)化為步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，控制太陽電池陣旋轉(zhuǎn)到這個預(yù)訂位置。

被動跟蹤是利用太陽敏感器跟蹤太陽光線的一種方式。在本設(shè)計中，被動跟蹤包括粗略跟蹤和精確定位。粗略跟蹤是利用太陽敏感內(nèi)壁上的普通硅電池光線的照射并轉(zhuǎn)化為電壓信號并傳送到控制器，控制器根據(jù)所傳送來的電壓信號判斷兩個電機的轉(zhuǎn)向使得太陽電池陣轉(zhuǎn)動到底部的四象限硅電池能夠檢測到太陽光斑的位置。而精確定位則是四象限硅電池利用光斑輸出不同的電流信號，這些信號經(jīng)放大和濾波后通過定時器采樣傳送至控制器中的A/D轉(zhuǎn)換模塊上。根據(jù)A/D的采樣值，控制器將輸出兩個電機的轉(zhuǎn)向和所運行的脈沖數(shù)去控制太陽電池陣轉(zhuǎn)動到太陽敏感器主光軸與太陽電池陣法線平行的位置。

在本系統(tǒng)里，通過比較太陽敏感器轉(zhuǎn)化的電壓信號值和設(shè)定的跟蹤閉值，控制器判斷系統(tǒng)采用哪種跟蹤方式：當(dāng)太陽光照強度較強時，控制器所得到的電壓信號值大于跟蹤閉值，系統(tǒng)采用被動跟蹤來捕捉太陽光線。當(dāng)太陽光照強度較低時，控制器所得到的電壓信號值小于跟蹤閉值，系統(tǒng)采用主動跟蹤來跟蹤太陽光線。

1.1 主動跟蹤方式

對于主動跟蹤，星體計算機如何利用衛(wèi)星所在的位置近似計算太陽光線在衛(wèi)星運行軌道上某一點的水平角與俯仰角是至關(guān)重要的。為了得到太陽光線在軌道上水平角和俯角的直觀解析表達式，Kalweit引入了地心黃道坐標(biāo)系（圖1），并在黃道坐標(biāo)系下描述衛(wèi)星在運動過程中太陽光線的運動規(guī)律。

定義衛(wèi)星在地心黃道坐標(biāo)系下的軌道根數(shù)如表1。

衛(wèi)星確定運行的軌道之后，等相關(guān)參數(shù)就隨之確定。由于黃赤交角的存在和一般是不一樣的，據(jù)軌道動力學(xué)的相關(guān)知識，可以求得和對應(yīng)的關(guān)系。

在地心黃道坐標(biāo)系下太陽方向的單位矢量表示為：

（1）

通過坐標(biāo)變換，可以得到太陽方向單位矢量在軌道坐標(biāo)系中的表示：

（2）

其中：

通過如下方程定義太陽的方位角和俯仰角：

（3）

結(jié)合（2）和（3）式易得：

從而可得：

其中：k為整數(shù)，，取k為偶數(shù)，時，取k為奇數(shù)。

1.2 被動跟蹤方式

被動跟蹤方式主要由太陽敏感器和驅(qū)動機構(gòu)配合控制器完成對太陽光線的對日定向。太陽敏感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

太陽敏感器由傳感器和信號處理電路組成。傳感器由四塊普通硅電池和一塊四象限硅電池組成。A1、B1、C1、D1 四個區(qū)域分別位于四象限光電池的A、B、C、D四個象限的正上方。如圖4所示。

傳感器是將太陽光線轉(zhuǎn)化為電信號，信號處理電路的主要功能是將對傳感器傳送來的電信號進行進行處理并經(jīng)過控制器的輸入端口傳送至控制器的A/D采集模塊。太陽敏感器的基本探測原理是太陽光線穿過通光孔在安裝在四周的普通硅電池上形成光斑，控制器會控制太陽電池陣帶動太陽敏感器轉(zhuǎn)動到光斑落到底部四象限硅電池上的位置，此過程為系統(tǒng)的粗略跟蹤。只要光斑落到底部四象限硅電池上，系統(tǒng)開始對太陽光線進行精確跟蹤。由于光斑在四象限硅電池中分布不均勻，四個象限所產(chǎn)生的電信號是不同的。系統(tǒng)將根據(jù)四個象限所產(chǎn)生的不同信號去計算太陽電池陣法線與太陽光線在水平方向和俯仰方向上的夾角并轉(zhuǎn)化成電機轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，控制步進電機旋轉(zhuǎn)到預(yù)定，此過程對太陽光線精確定位。太陽電池陣主軸上的編碼器實時的記錄旋轉(zhuǎn)的角度并判斷步進電機是否在運行過程中失步，以精確跟蹤太陽光線。

隨著太陽光線的移動和衛(wèi)星位置的變化，太陽光線與太陽電池陣法線的夾角不斷增大。在太陽敏感器內(nèi)部所形成的光斑就會落在內(nèi)壁上的普通硅電池上（如圖5所示），而不會落在底部四象限硅電池上。此時系統(tǒng)先對太陽光線進行粗略跟蹤。例如，光斑落在B1的區(qū)域內(nèi)時，B1受到光線的照射產(chǎn)生電信號送至控制器，控制器根據(jù)該電信號控制太陽電池陣帶動太陽敏感器在x軸上逆時針旋轉(zhuǎn)，在y軸上順時針旋轉(zhuǎn)，直到光斑落到底部的四象限硅電池上（如圖6所示）。此時，B1區(qū)域沒有電信號產(chǎn)生，系統(tǒng)完成對太陽光線粗略跟蹤。

在太陽敏感器內(nèi)上形成的光斑經(jīng)過粗略跟蹤之后移動四象限硅電池上。此時系統(tǒng)具備對太陽光線精確定位的條件。由于光斑在四個象限上不均勻分布，四象限光電池輸出大小不同的四個電信號?？刂破魍ㄟ^分析這四個電信號得出太陽電池陣法線與太陽光線之間的夾角并把該夾角轉(zhuǎn)化控制步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，控制太陽電池陣旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。此時，光斑位于四象限光電池的平面中心（如圖7所示），四象限光電池輸出大小相同的四個電信號。系統(tǒng)完成對太陽光線的精確定位。

2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

本設(shè)計采用TMS320F28335型DSP芯片做為控制系統(tǒng)的核心。該芯片能夠以150MHz頻率進行工作，且可以實現(xiàn)浮點運算，提高了系統(tǒng)的運行速度。同時，芯片內(nèi)部集成有串行通信模塊、ePWM模塊、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊，可滿足控制系統(tǒng)各項功能要求。圖8為系統(tǒng)的控制框圖。

該系統(tǒng)主要包括：主控制器、電機及驅(qū)動器、太陽敏感器、光電編碼器、上位機等。系統(tǒng)能夠完成對太陽光線的正常跟蹤和快速捕捉，在緊急情況下的應(yīng)急歸零，以及衛(wèi)星進入陰影區(qū)后的保持鎖定。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的跟蹤控制系統(tǒng)具有以下特點：

（1）系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性且運算速度快，利用其內(nèi)部的ePWM模塊簡單有效地控制電機運動；

（2）通過設(shè)置不同的參數(shù)，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在不同軌道，應(yīng)用靈活且可以實現(xiàn)地面的遠程控制；

（3）在主動跟蹤的方式中，系統(tǒng)按照編寫好的程序控制太陽電池陣轉(zhuǎn)動，是一種開環(huán)控制方式；

（4）跟蹤范圍廣，傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉和跟蹤穩(wěn)定。

而在跟蹤方法方面具有以下特點：

（1）主動跟蹤和被動跟蹤是兩種獨立的跟蹤方式，系統(tǒng)可以根據(jù)太陽光線的輻射強度判斷采用哪一種跟蹤方式；

（2）如果系統(tǒng)在運行的過程中遇到突發(fā)事件，地面指揮中心可以通過星體上的上位機控制太陽電池陣轉(zhuǎn)動，避免危機情況的發(fā)生；

（3）被動跟蹤是在光輻射強度較強的條件下對日跟蹤，而主動跟蹤可以在任何的氣候條件下對日跟蹤。也就是主動跟蹤在光輻射強度較強的情況下實現(xiàn)對被動跟蹤的冗余，這對于要求可靠性高的航天工程具有重大意義。

參考文獻

[1]石磊.太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的可靠性分析[D]. 四川：電子科技大學(xué)，2011：1-5.

[2]高星，王友平.太陽帆板驅(qū)動機構(gòu)的現(xiàn)狀和近期發(fā)展方向[J].控制工程， 2001，3（5）：25-48.

[3]卞新高，楊縫縫，辛秋霞.全自動太陽跟蹤器的研制和應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報，2010，31（10）：1298-1299.

[4] Kalweit C C.Optimum yaw motion for satellites with a nadir-pointing payload[J].Journal of Guidance， 1983，6（1）：47-52.

[5]賀曉雷，呂文華，李建英，等.一種用于太陽被動跟蹤的光電角偏差探測裝置[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28（8）：234-239.

[6]符曉，朱洪順.TMS320F2833xDSP應(yīng)用開發(fā)與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：6-8.