一种对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法技术
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种航天航空领域的卫星姿态控制方法，它为视频卫星对空间合作目标跟踪成像提供一种姿态控制方法，属于自动控制
技术介绍
视频卫星是一种采用视频成像、视频数据实时传输、人在回路交互式操作工作方式的新型天基信息获取类微小卫星。与传统卫星相比，视频卫星可提供实时视频图像，与静止单幅图像相比增加了时域信息，可获取目标的动态过程信息，能够探测到动态事件的发生，并可以基于视频图像中的序列图像进行图像重构获得更高分辨率的图像，为抗灾救灾、战时监控、计划决策提供第一手资料。空间合作目标是指已知运动轨道信息的空间飞行器，利用视频卫星对空间合作目标跟踪成像，相当于在太空架起了摄像机，不受气象条件的限制，且避免了大气对目标信号的影响，实时性更好，可以为卫星健康监测、故障诊断提供有力支持，未来甚至能直播太空的重要事件。已有文献对视频卫星对地面固定目标的凝视成像姿态控制方法进行了较为深入的研究，但未有涉及对空间合作目标的跟踪成像姿态控制。
技术实现思路
针对视频卫星对空间合作目标的跟踪成像问题，本专利技术提供一种对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法。该方法首先给出了成像的时间窗口需满足的条件，以及期望姿态四元数与期望角速度的求解方法，建立了其姿态运动的数学模型；以此模型为受控对象，设计了PD控制器。本专利技术所提出的跟踪成像姿态控制器结构框图如图1所示。实践表明，由该方法控制的闭环系统能够稳定指向空间合作目标，且具有良好的指向精度和稳定度。一种对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，首先确定成像时间窗口需满足的条件，并由给定的卫星轨道状态和目标轨道信息计算期...
【技术保护点】
一种对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、给定视频卫星与空间合作目标的轨道状态信息；S2、确定跟踪成像时间窗口的条件；S3、由给定的视频卫星与空间合作目标的轨道状态信息计算期望姿态四元数和角速度；S4、计算姿态跟踪误差四元数与实际角速度与期望角速度之间的误差量，然后建立姿态动力学模型；S5、选取控制律参数，计算飞轮力矩控制量。
【技术特征摘要】
1.一种对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、给定视频卫星与空间合作目标的轨道状态信息；S2、确定跟踪成像时间窗口的条件；S3、由给定的视频卫星与空间合作目标的轨道状态信息计算期望姿态四元数和角速度；S4、计算姿态跟踪误差四元数与实际角速度与期望角速度之间的误差量，然后建立姿态动力学模型；S5、选取控制律参数，计算飞轮力矩控制量。2.根据权利要求1所述的对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S1中，给定的视频卫星与空间合作目标的轨道状态信息如下：地球惯性系下，视频卫星为S，空间合作目标为T，地心为O，令rst＝rt-rs，rs＝||rs||，rt＝||rt||，rst＝||rst||。3.根据权利要求2所述的对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S2中，对于搭载可见光视频载荷的视频卫星，实现对空间合作目标的跟踪成像，需要满足以下三个条件：(1)视频卫星和空间合作目标可见；(2)距离要求；设视频卫星上的星载相机的焦距为f，像元大小为d，目标尺寸为L，像距为v，为使成像有意义，空间合作目标在像平面上的投影应超过一个像素，得到距离要求 r s t < L f d + f = · L f d - - - ( 1 ) ]]>(3)光线要求为使空间合作目标良好成像，需要空间合作目标迎光且不处于地球的阴影区。4.根据权利要求3所述的对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S2中，视频卫星和空间合作目标可见即地心O到视频卫星与空间合作目标连线ST的距离大于地球半径，则 | | r s × r t | | r s t > R - - - ( 2 ) ]]>其中R为地球半径。5.根据权利要求3所述的对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S2中，在地球惯性系下，认为太阳光是来自太阳-地心方向的平行光，设日地方向单位矢量为sun，则空间合作目标迎光即为在惯性系下，rst·sun＞0 (3)空间合作目标不处于地球的阴影区需满足 a r c c o s r t · s u n r t > a r c s i n ( R r t ) - κ - - - ( 4 ) ]]>其中κ是太阳光下地球的阴影区域形成圆锥的半顶角，为0.264°。6.根据权利要求3所述的对空间合作目标跟踪成像的卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：S3.1计算期望姿态四元数定义视频卫星轨道坐标系为Oo-XoYoZo，它以视频卫星的质心为坐标系原点，OoXo轴沿着视频卫星的速度方向，OoZo轴从地心指向视频卫星质心；定义视频卫星本体坐标系为Ob-XbYbZb，它以视频卫星的质心为坐标系原点，三个坐标轴方向分别沿着视频卫星本体惯量主轴三个方向；定义参考空间合作目标坐标系为Ot-XtYtZt，它以视频卫星的质心为坐标系原点，以视频卫星的质心与目标点T的连线并且指向目标点的方向为坐标系的OtZt轴，以OtZt轴与视频卫星轨道坐标系OoZo的叉乘为参考空间合作目标坐标系的OtYt轴；假设星载相机固连在视频卫星上，星载相机的光轴与视频卫星本体坐标系的Z轴重合，于是跟踪成像就是控制视频卫星本体坐标系跟踪参考空间合作目标坐标系的过程，即视频卫星本体坐标系相对于地球惯性系的姿态四元数qb跟踪参考空间合作目标坐标系相对于地球惯性系的姿态四元数qt的过程；已知视频卫星的轨道倾角、升交点赤经和升交点赤经起算的轨道幅角分别为i,Ω,u，那么视频卫星轨道坐标系相对于地球惯性坐标系的方向余弦阵Roi可以表示为 R o i = R Y ( - π 2 ) R X ( - π 2 ) R Z ( u ) R X ( i ) R Z ( Ω ) = - cos Ω sin u - sin Ω cos i cos u - sin Ω sin u + cos Ω cos i cos u sin i cos u - sin Ω sin i cos Ω sin i - cos i - cos Ω cos u + sin Ω cos i sin u - sin Ω cos u - cos Ω cos i sin u - sin i sin u - - - ( 5 ) ]]>其中RX(θ),RY(θ),RZ(θ)分别表示绕X轴，Y轴，Z轴旋转角度θ的坐标变换矩阵；参考空间合作目标坐标系的Z轴在地球惯性系下的单位矢量为 Z t i = R i o r s t o r s i o - - - ( 6 ) ]]>其中的分母表示长度，分子是黑体，表示矢量，二者相除得到单位矢量，且：Rio＝RoiT (7)参考空间合作目标坐标系的Y轴在地球惯性系下的单位矢量为 Y t i = Z t i × Z o i | | Z t i × Z o i | | - - - ( 8 ) ]]>其中是视频卫星轨道坐标系Z轴在地球惯性系下的单位矢量： Z o i = R i o ( 0 , 0 , 1 ) T - - - ( 9 ) ]]>参考空间合作目标坐标系的X轴在地球惯性系下的单位矢量为 X t i = Z t i × Y t i | | Z t i × Y t i | | - - - ( 10 ) ]]>于是得到参考空间合作目标坐标系相对于地球惯性系的方向余弦阵为Rti R t i = [ X t i , Y t i , Z t i ] = ( r i j ) 3 × 3 - - - ( 11 ) ]]>其中rij表示矩阵元素，矩阵是3*3矩阵，i和j分别表示矩阵中的行和列，共9个元素；式(11)就是跟踪目标成像的期望姿态矩阵；令期望姿态四元数qt＝(q1:3,q4)T，其中q1:3＝(q1,q2,q3)T，则 1 + 2 r 11 - trR t i r 12 + r 21 r 13 + r 31 r 23 - r 32 = 4 q 1 q , r 12 + r 21 1 + 2 r 22 - trR t i r 23 + r 32 r 31 - r 13 ...
【专利技术属性】
技术研发人员：项军华，张学阳，李泰博，曾国强，张琦，崔凯凯，税海涛，吴国福，李志军，袁福，高玉东，连一君，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
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