一种运动目标的指向跟踪控制方法技术

一种运动目标的指向跟踪控制方法，根据运动目标的方向，结合卫星对运动目标的指向轴，以姿态的两次旋转获取卫星的目标姿态，由此得到在跟踪任务时间内卫星的目标姿态序列；再将相邻时刻卫星的目标姿态以最短路径做机动规划，获得卫星的目标角速度序列；同时控制卫星的姿态和角速度，在控制过程中利用卫星目标角速度计算出前馈力矩，增强控制器响应速度，提高控制精度。利用本发明专利技术可以控制卫星的指向轴完成对运动目标进行跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种运动目标的指向跟踪控制方法
本专利技术涉及一种运动目标的指向跟踪控制方法，属于卫星控制领域。
技术介绍
卫星利用姿态机动控制卫星指向的技术是个新领域，利用姿态机动使得卫星指向对运动目标进行跟踪的技术还未见报道。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种运动目标的指向跟踪控制方法，同时控制卫星的姿态和角速度，在控制过程中利用卫星目标角速度计算出前馈力矩，增强控制器响应速度，提高控制精度。利用本专利技术可以控制卫星的指向轴完成对运动目标进行跟踪。本专利技术解决的技术方案为：一种运动目标的指向跟踪控制方法，包括确定目标姿态四元数序列阶段、确定目标姿态角速度序列阶段和利用比例、微分、前馈进行控制阶段；所述的确定目标姿态四元数序列阶段步骤如下：(1)运动目标在卫星轨道坐标系O-XoYoZo中的运动，形成了一个时域上的视线方向序列，包括了各个时刻运动目标的视线方向；跟踪运动目标的载荷安装在卫星本体坐标系的Xb轴或Yb轴或Zb轴上，将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴作为卫星向运动目标的指向轴；(2)选择卫星目标姿态的转序，该转序为第一次和第二次将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴以外的两个卫星本体轴先转动，第三次转动卫星向运动目标的指向轴，使卫星向运动目标的指向轴指向运动目标；建立一个目标姿态坐标系O-XTYTZT，目标姿态坐标系原点O为卫星质心，将卫星向运动目标的指向轴作为ZT，根据ZT和卫星目标姿态的转序，确定目标姿态坐标系的XT轴和YT轴；(3)计算步骤(2)的卫星目标姿态坐标系相对于卫星轨道坐标系的姿态角，即卫星第一次转动和第二次转动的姿态角根据步骤(1)运动目标的视线方向和步骤(2)卫星目标姿态的转序计算，第三次转动的姿态角置为0；根据这三个姿态角得到卫星的目标姿态，再根据卫星的目标姿态计算出该时刻相应的目标姿态四元数；(4)根据步骤(3)计算得到的目标姿态四元数，按照时间顺序排列，得到目标姿态四元数序列[qmO(t0),…qmO(tk),…,qmO(tend)]，t0为卫星对运动目标的指向跟踪过程的初始时刻，tk为卫星对运动目标的指向跟踪过程中的某时刻，tend为卫星对运动目标的指向跟踪过程的结束时刻，qmO(t)为t时刻的目标姿态四元数；所述的确定目标姿态角速度序列阶段步骤如下：(5)对步骤(4)的目标姿态四元数序列中相邻时刻的目标姿态四元数进行差分计算，得到每个时刻卫星的目标角速度；(6)将步骤(5)的每个时刻卫星的目标角速度按照时间顺序排列，得到目标姿态角速度序列[ωmO(t0),…ωmO(tk),…,ωmO(tend)]，ωmO(t)为t时刻的目标姿态角速度；所述的利用比例、微分、前馈进行控制阶段步骤如下：(7)根据步骤(4)的目标姿态四元数序列和步骤(6)的目标姿态角速度序列，结合卫星当前的姿态四元数和姿态角速度，按照比例+微分+前馈控制算法设计控制器。本专利技术与现有技术的优点在于(1)本专利技术同时控制卫星的姿态和角速度，在控制过程中利用卫星目标角速度计算出前馈力矩，增强控制器响应速度，提高控制精度。利用本专利技术可以控制卫星的指向轴完成对运动目标进行跟踪。(2)本专利技术的步骤(7)可以提供较大带宽的控制器，且用前馈可以进一步提高控制器的动态响应速度。附图说明图1为本专利技术的卫星目标姿态的示意图；图2为本专利技术利用卫星目标姿态四元数求解卫星目标姿态角速度的示意图；图3为本专利技术的流程图；图4为本专利技术的效果说明，在跟踪运动目标的过程中利用本专利技术控制的卫星的姿态角曲线；图5为本专利技术的效果说明，在跟踪运动目标的过程中利用本专利技术控制的卫星的姿态角速度曲线；图6为本专利技术的效果说明，在跟踪运动目标的过程中利用本专利技术控制的卫星的指向轴指向目标方向的误差曲线。具体实施方式本专利技术的基本思路为：提供一种运动目标的指向跟踪控制方法，该方法首先根据运动目标的运动轨迹，规划出卫星目标姿态四元数的时间序列，相邻时刻的四元数之间的机动按绕特征主轴最短路径进行机动规划，控制过程中同时考虑姿态误差和角速度误差，控制器设计引入前馈力矩增加响应速度，从而实现卫星对运动目标的指向跟踪的精确控制。下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述。一种运动目标的指向跟踪控制方法，包括确定目标姿态四元数序列阶段、确定目标姿态角速度序列阶段和利用比例+微分+前馈进行控制阶段，所述的确定目标姿态四元数序列阶段步骤如下：(1)运动目标在卫星轨道坐标系O-XoYoZo中的运动，形成了一个时域上的视线方向序列，包括了各个时刻运动目标的视线方向；跟踪运动目标的载荷安装在卫星本体坐标系的Xb轴或Yb轴或Zb轴上，将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴作为卫星向运动目标的指向轴；(2)选择卫星目标姿态的转序，该转序为第一次和第二次将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴以外的两个卫星本体轴先转动，第三次转动卫星向运动目标的指向轴，使卫星向运动目标的指向轴指向运动目标；如图1所示，建立一个目标姿态坐标系O-XTYTZT，卫星质心为目标姿态坐标系原点O，ZT为卫星向运动目标的指向轴，XT轴和YT轴则根据ZT和卫星目标姿态的转序进行确定；(3)计算步骤(2)的卫星目标姿态坐标系相对于卫星轨道坐标系的姿态角，即卫星第一次转动和第二次转动的姿态角根据步骤(1)运动目标的视线方向和步骤(2)卫星目标姿态的转序计算，第三次转动的姿态角置为0；根据这三个姿态角得到卫星的目标姿态，再根据卫星的目标姿态计算出该时刻相应的目标姿态四元数；下面给出一个算例表明目标姿态的计算过程：定义Om为卫星向运动目标的指向，在卫星轨道坐标系的表示为其中Omx、Omy、Omz为Om在卫星轨道坐标系X轴、Y轴、Z轴的分量。按照绕卫星本体坐标系的X轴、Y轴、Z轴顺序先后转动的方式为卫星目标姿态的转序，则根据卫星姿态动力学，可知卫星在该转序下目标姿态的姿态角为：θm＝arcsin(Omx)、ψm＝0；式中θm、ψm分别为卫星的目标姿态的滚动角、俯仰角、偏航角。根据卫星的目标姿态的滚动角、俯仰角、偏航角，可以得到卫星的目标姿态四元数qmO。(4)根据步骤(3)计算得到的目标姿态四元数，按照时间顺序排列，得到目标姿态四元数序列[qmO(t0),…qmO(tk),…,qmO(tend)]，t0为卫星对运动目标的指向跟踪过程的初始时刻，tk为卫星对运动目标的指向跟踪过程中的某时刻，tend为卫星对运动目标的指向跟踪过程的结束时刻，qmO(t)为t时刻的目标姿态四元数；所述的确定目标姿态角速度序列阶段步骤如下：(5)对步骤(4)的目标姿态四元数序列中相邻时刻的目标姿态四元数进行差分计算，得到每个时刻卫星的目标角速度；计算方法如下：不妨假设相邻时刻tk-1和tk对应的目标姿态四元数分别为qmO(tk-1)和qmO(tk)，则tk时刻卫星的目标姿态角速度应为以qmO(tk-1)为初始姿态、以qmO(tk)为结束姿态、绕特征主轴方向沿最短路径一次机动到位所需的目标角速度，如图2所示。则tk时刻卫星的目标角速度ωmO(tk)计算方法为：式中Δt＝tk-tk-1，qmOi表示四元数qmO的第i个分量，其中第4个分量为标量。(6)将步骤(5)的每个时刻卫星的目标角速度按照时间顺序排列，得到目标姿态角速度序列[ωmO(t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运动目标的指向跟踪控制方法，其特征在于：包括确定目标姿态四元数序列阶段、确定目标姿态角速度序列阶段和利用比例、微分、前馈进行控制阶段，所述的确定目标姿态四元数序列阶段步骤如下：(1)运动目标在卫星轨道坐标系XoYoZo中的运动，形成了一个时域上的视线方向序列，包括了各个时刻运动目标的视线方向；跟踪运动目标的载荷安装在卫星本体坐标系的Xb轴或Yb轴或Zb轴上，将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴作为卫星向运动目标的指向轴；(2)选择卫星目标姿态的转序，该转序为第一次和第二次将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴以外的两个卫星本体轴先转动，第三次转动卫星向运动目标的指向轴，使卫星向运动目标的指向轴指向运动目标；建立一个目标姿态坐标系O‑XTYTZT，目标姿态坐标系原点O为卫星质心，将卫星向运动目标的指向轴作为ZT，根据ZT和卫星目标姿态的转序，确定目标姿态坐标系的XT轴和YT轴；(3)计算步骤(2)的卫星目标姿态坐标系相对于卫星轨道坐标系的姿态角，即卫星第一次转动和第二次转动的姿态角根据步骤(1)运动目标的视线方向和步骤(2)卫星目标姿态的转序计算，第三次转动的姿态角置为0；根据这三个姿态角得到卫星的目标姿态，再根据卫星的目标姿态计算出该时刻相应的目标姿态四元数；(4)根据步骤(3)计算得到的目标姿态四元数，按照时间顺序排列，得到目标姿态四元数序列[qmO(t0),…qmO(tk),…,qmO(tend)]，t0为卫星对运动目标的指向跟踪过程的初始时刻，tk为卫星对运动目标的指向跟踪过程中的某时刻，tend为卫星对运动目标的指向跟踪过程的结束时刻，qmO(t)为t时刻的目标姿态四元数；所述的确定目标姿态角速度序列阶段步骤如下：(5)对步骤(4)的目标姿态四元数序列中相邻时刻的目标姿态四元数进行差分计算，得到每个时刻卫星的目标角速度；(6)将步骤(5)的每个时刻卫星的目标角速度按照时间顺序排列，得到目标姿态角速度序列[ωmO(t0),…ωmO(tk),…,ωmO(tend)]，ωmO(t)为t时刻的目标姿态角速度；所述的利用比例、微分、前馈进行控制阶段步骤如下：(7)根据步骤(4)的目标姿态四元数序列和步骤(6)的目标姿态角速度序列，结合卫星当前的姿态四元数和姿态角速度，按照比例+微分+前馈控制算法设计控制器。...

【技术特征摘要】
1.一种运动目标的指向跟踪控制方法，其特征在于：包括确定目标姿态四元数序列阶段、确定目标姿态角速度序列阶段和利用比例、微分、前馈进行控制阶段，所述的确定目标姿态四元数序列阶段步骤如下：(1)运动目标在卫星轨道坐标系O-XoYoZo中的运动，形成了一个时域上的视线方向序列，包括了各个时刻运动目标的视线方向；跟踪运动目标的载荷安装在卫星本体坐标系的Xb轴或Yb轴或Zb轴上，将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴作为卫星向运动目标的指向轴；(2)选择卫星目标姿态的转序，该转序为第一次和第二次将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴以外的两个卫星本体轴先转动，第三次转动卫星向运动目标的指向轴，使卫星向运动目标的指向轴指向运动目标；建立一个目标姿态坐标系O-XTYTZT，目标姿态坐标系原点O为卫星质心，将卫星向运动目标的指向轴作为ZT，根据ZT和卫星目标姿态的转序，确定目标姿态坐标系的XT轴和YT轴；(3)计算步骤(2)的卫星目标姿态坐标系相对于卫星轨道坐标系的姿态角，即卫星第一次转动和第二次转动的姿态角根据步骤(1)运动目标的视线方向和步骤(2)卫星目标姿态的转序计算，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明群，王淑一，褚永辉，柯旗，邢林峰，郝金华，董筠，李鹤，杜辉，徐子荔，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11