视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法技术

本发明专利技术提供了一种视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法，包括以下步骤：1)给定的卫星轨道状态、地面点空间坐标、相机参数以及指定视场方向对应的当地方向矢量；2)计算期望的凝视姿态四元数和角速度；3)计算误差四元数与误差角速度；4)设计飞轮控制律。通过本发明专利技术可实现视场方向可调卫星对地凝视姿态控制，既保证图像在相机视场中不发生旋转，又确保凝视成像过程中相机视场某一方向始终指向设计的当地方向矢量，便于进行图像观察与分析。该方法算法简单，运算量小，易于工程实现，具有较高的指向控制精度和较好的指向稳定度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天航空领域的卫星姿态控制领域，具体提供了一种视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法。
技术介绍
视频小卫星是一种新型对地观测卫星，与传统的对地观测卫星相比，其最大的特点是可以对某一区域进行凝视成像，实现对该区域一段时间的连续观测，具有重要的军事和民用价值。视频小卫星凝视成像是指卫星通过快速姿态机动，使固连在星体上的相机光轴始终指向期望观测地面点，从而可以连续、实时地对地面景象进行观测和记录，是近年来新兴的卫星地球遥感技术。已有文献的卫星凝视姿态控制方法中设计凝视期望姿态时，多通过保证卫星绕相机光轴不发生旋转的方式，实现固连在星体上的相机光轴始终指向期望观测的地面点，从而实现稳定成像。现有方法无法通过对视场方向与地理指向进行控制使星上相机实现对地稳定成像。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法。本专利技术针对卫星对地面点凝视问题，给出了凝视过程中相机视场某一方向始终指向设计的当地方向矢量成像的凝视期望姿态与角速度计算方法，建立其姿态运动的数学模型；以此模型为受控对象，采用误差四元数与误差角速度作为反馈量，设计了飞轮控制律。本专利技术所提出的凝视姿态控制器结构框图如图1所示。视场方向可调卫星对地凝视姿态控制方法：首先由获取卫星轨道状态、地面点空间坐标、相机参数以及指定视场方向对应的当地方向矢量，计算期望的凝视姿态四元数和角速度，进而通过测定星体实际的姿态四元数与角速度，计算期望值与测定值之间的误差四元数与误差角速度，最后通过误差四元数与误差角速度设计星上飞轮的控制律。采用该控制律对卫星姿态进行控制，从而实现了调整视场方向使卫星能长时间稳定的凝视地面目标。此处的可调是指视场方向可任意设计并保持。该方法能使通过该控制律控制后，卫星姿态进行相应调整，相机的成像方向满足设定地理指向约束的卫星对地面点凝视姿态。参见图2，视场方向可调卫星对地凝视姿态控制方法，包括以下步骤：步骤S1：获取卫星轨道状态、地面点空间坐标、相机参数，指定当地方向矢量卫星轨道状态为XS＝[RS,VS]，地面点T的经纬高坐标为(LT,BT,HT)，RS为卫星的地心惯性系位置，VS为卫星的地心惯性系速度，LT为地面点地理经度，BT为地面点地理纬度，HT为地面点高程。给定相机参数，成像模型如图3所示。C为相机投影中心，oc-xcyczc为相机坐标系，op-xpyp为像平面坐标系；相机投影中心在卫星体坐标下位置为相机焦距为f，相机在星上的安装矩阵为上述参数的确定按常用方法进行。指定视场方向对应的当地方向矢量。本专利技术提出的可任意设计视场方向成像的原理如图4所示。控制卫星凝视成像过程中，像平面在地面投影的指向在当地的地理方位角始终保持为设计的κ值，即始终与指定的当地方向矢量重合。给出此时地面点P经纬高坐标(LP,BP,HP)。地理方位角κ的定义为，在过地面观测点T的地表切平面内沿顺时针方向与当地正北方向所成的角。从而能实现对地面点的长时间稳定凝视。步骤S2：计算凝视期望四元数与期望角速度此处的凝视期望四元数与期望角速度可以按常规方法进行计算。步骤S21：计算地面点在地心惯性系的位置由地面点经纬高坐标(LT,BT,HT)和(LP,BP,HP)计算地面点T点和P点在地心惯性系的位置RT、RP。步骤S22：：按公式(1)计算星上相机的投影中心在地心惯性系的位置 R C = R S + C B I · R C B - - - ( 1 ) ]]>其中，为卫星体坐标系到地心惯性系的转换矩阵，可以由卫星姿态敏感器测量获得的卫星姿态计算得到。按公式(2)计算相机投影中心指向地面点T的矢量在惯性系中分量 μ C T I = R T - R C | | R T - R C | | - - - ( 2 ) ]]>按公式(3)计算相机投影中心指向地面点T的矢量在卫星体坐标系中分量 μ C T B = ( C B C ) T · μ C T C - - - ( 3 ) ]]>按公式(4)计算相机投影中心指向地面点P的矢量在惯性系中分量 μ C P I = R P - R C | | R P - R C | | - - - ( 4 ) ]]>按公式(5)计算相机投影中心指向地面点P的矢量在卫星体坐标系中分量 μ C P B = ( C B C ) T · 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取卫星轨道状态、地面点空间坐标、相机参数，指定视场方向对应的当地方向矢量卫星轨道状态为XS＝[RS,VS]，地面点T的经纬高坐标为(LT,BT,HT)，RS为卫星的地心惯性系位置，VS为卫星的地心惯性系速度，LT为地面点的地理经度，BT为地面点的地理纬度，HT为地面点的高程；设定相机投影中心在卫星体坐标下位置为相机焦距为f，相机在星上的安装矩阵为指定视场方向对应的当地方向矢量在当地的地理方位角始终保持为指定的κ值，确定当地方向矢量端点地面点P的经纬高坐标(LP,BP,HP)；步骤S2：计算卫星的凝视期望四元数与期望角速度步骤S3：获取星体实际姿态四元数和星体实际姿态角速度，计算期望四元数与星体实际姿态四元数之间的误差四元数，计算期望角速度与星体实际姿态角速度之间的误差角速度按公式(11)计算误差四元数q‾e=q‾r*⊗q‾---(11)]]>其中，为的共轭四元数，为星体实际姿态四元数，表示四元数乘法，其中qe0为误差四元数标部，qe＝[qe1 qe2 qe3]T为误差四元数矢量部分；按公式(12)计算误差角速度ωe＝ω‑ω*   (12)其中，ω为星体实际角速度；步骤S4：控制律设计：按公式(13)计算飞轮控制力矩Lc=LxLyLz=-kpxqe1-kdxωex-kpyqe2-kdyωey-kpzqe3-kdzωez---(13)]]>其中，为误差四元数控制系数，qei(i＝1,2,3)为误差四元数的矢量部分，为角速度偏差系数，ωei(i＝x,y,z)为误差角速度，按公式(13)得到的控制力矩对卫星上的飞轮进行控制，并调整卫星姿态。...

【技术特征摘要】
1.一种视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取卫星轨道状态、地面点空间坐标、相机参数，指定视场方向对应的当地方向矢量卫星轨道状态为XS＝[RS,VS]，地面点T的经纬高坐标为(LT,BT,HT)，RS为卫星的地心惯性系位置，VS为卫星的地心惯性系速度，LT为地面点的地理经度，BT为地面点的地理纬度，HT为地面点的高程；设定相机投影中心在卫星体坐标下位置为相机焦距为f，相机在星上的安装矩阵为指定视场方向对应的当地方向矢量在当地的地理方位角始终保持为指定的κ值，确定当地方向矢量端点地面点P的经纬高坐标(LP,BP,HP)；步骤S2：计算卫星的凝视期望四元数与期望角速度步骤S3：获取星体实际姿态四元数和星体实际姿态角速度，计算期望四元数与星体实际姿态四元数之间的误差四元数，计算期望角速度与星体实际姿态角速度之间的误差角速度按公式(11)计算误差四元数 q ‾ e = q ‾ r * ⊗ q ‾ - - - ( 11 ) ]]>其中，为的共轭四元数，为星体实际姿态四元数，表示四元数乘法，其中qe0为误差四元数标部，qe＝[qe1 qe2 qe3]T为误差四元数矢量部分；按公式(12)计算误差角速度ωe＝ω-ω* (12)其中，ω为星体实际角速度；步骤S4：控制律设计：按公式(13)计算飞轮控制力矩 L c = L x L y L z = - k p x q e 1 - k d x ω e x - k p y q e 2 - k d y ω e y - k p z q e 3 - k d z ω e z - - - ( 13 ) ]]>其中，为误差四元数控制系数，qei(i＝1,2,3)为误差四元数的矢量部分，为角速度偏差系数，ωei(i＝x,y,z)为误差角速度，按公式(13)得到的控制力矩对卫星上的飞轮进行控制，并调整卫星姿态。2.根据权利要求1所述视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：步骤S21：计算地面点在地心惯性系的位置由地面点的经纬高坐标(LT,BT,HT)和(LP,BP,HP)计算地面点T和P在地心惯性系的位置RT、RP；步骤S22：按公式(1)计算相机投影中心在地心惯性系的位置 R C = R S + C B I · R C B - - - ( 1 ) ]]>其中，为卫星体坐标系到地心惯性系的转换矩阵；按公式(2)计算相机投影中心指向地面点T的矢量在惯性系中分量 μ C T I = R T - R C | | R T - R C | | - - - ( 2 ) ]]>按公式(3)计算相机投影中心指向地面点T的矢量在卫星体坐标系中分量 μ C T B = ( C B C ) T · μ C T C - - - ( 3 ) ]]>按公式(4)计算相机投影中心指向地面点P的矢量在惯性系中分量 μ C P I = R P - R C | | R P - R C | | - - - ( 4 ) ]]>按公式(5)计算相机投影中心指向地面点P的矢量在卫星体坐标系中分量 μ C P B = ( C B C ) T · 0 1 - ( μ C T I · μ C P I ) 2 μ C T I · μ C P I T - - - ( 5 ) ]]>按公式(6)计算对地凝视期望姿态下惯性系到卫星体坐标系的转换矩阵 C I B r = μ C P B ( μ C P B × μ C T B ) × μ C P B | | ( μ C P B × μ C T B ) × μ C P B μ C P B × μ C T B | | μ C P B × μ C T B | | · μ C P I ( μ C P I × μ C T I ) × ...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，连一君，曾国强，李志军，袁福，税海涛，高玉东，项军华，吴国福，韩大鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43