一种低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法技术

一种低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法属于航空航天技术领域，实现了在卫星反作用飞轮力矩及其角动量受限情况下，在最短时间将卫星姿态控制到期望值，使得光学载荷具备成像状态的目标。该方法包括：对低轨光学遥感卫星进行运动学动力学建模；卫星姿态规划方法；将姿态规划结果从轨道坐标系变换至惯性坐标系；结合姿态规划信息，建立卫星误差运动学动力学方程；将卫星的姿态为内外两个环路，建立控制器，实现低轨光学遥感卫星的多点成像快速机动控制。本方法同时兼具姿态机动快速性及高精度的姿态稳定度，在姿态机动过程中，卫星姿态能够平稳的向规划姿态收敛，该控制方法结构简单，易于实现，能够应用于工程实际中。能够应用于工程实际中。能够应用于工程实际中。

【技术实现步骤摘要】
一种低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法


[0001]本专利属于航空航天
，具体涉及一种低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法。

技术介绍

[0002]随着低轨卫星星座产业的快速发展，低轨光学遥感卫星由于其高质量、大幅宽的成像能力，已成为遥感信息产业中的支柱。卫星姿态控制系统的机动能力与稳定性能直接影响卫星的成像时间与成像质量，是光学遥感卫星系统的重要指标之一。而在卫星控制工程领域里，系统的稳定性与快速性相互矛盾，一般的控制方法难以做到两者兼顾。因此，研究低轨光学遥感卫星多点成像的快速机动控制方法具有重要意义。
[0003]Creame等在美国小型月球探测器的对月成像任务中，姿态机动路径采用BCB型路径规划方案，但是其控制精度难以满足光学遥感卫星要求。Michael等在詹姆斯韦伯太空望远镜的控制系统中提出了一种最小时间机动控制方法，其姿态规划连续平滑，虽然保证了良好的姿态控制精度，但延长了机动时间。此外，还有许多通过多目标优化算法来确定卫星实际机动最佳路径的方案。上述方法未能在卫星反作用飞轮力矩及角动量受限情况下，实现光学遥感卫星高精度的快速机动控制。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法，实现了在卫星反作用飞轮力矩及其角动量受限情况下，在最短时间将卫星姿态控制到期望值，使得光学载荷具备成像状态的目标。
[0005]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0006]一种低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法，该方法包括如下步骤：
[0007]步骤一：对低轨光学遥感卫星进行运动学动力学建模：定义F
I
表示惯性坐标系，F
B
表示卫星本体坐标系；卫星本体坐标系F
B
相对于惯性坐标系F
I
的角速度表示为本体坐标系F
B
相对惯性坐标系F
I
的姿态表示为单位四元数并满足约束条件其中q0为四元数Q的标量部分，q＝(q1,q2,q3)为四元数Q的矢量部分，表示n维实向量空间，卫星的运动学和动力学方程为：
[0008][0009][0010]式中：为一正定矩阵，表示卫星的转动惯量；I3为3
×
3单位矩阵；u为反作用飞轮的控制力矩；为反作用飞轮的总角动量；为反对称矩阵，对任意
向量满足S(x)y＝x
×
y，其中
×
表示向量叉乘；
[0011]卫星期望姿态定义为卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态指向，通过期望姿态四元数表示；q
d0
为期望姿态四元数Q
d
的标量部分，q
d
为期望姿态四元数Q
d
的矢量部分；姿态跟踪误差定义为误差四元数：
[0012][0013]式中：式中：表示四元数乘法，q
e0
为误差四元数Q
e
的标量部分，q
e
为误差四元数Q
e
的矢量部分；角速度跟踪误差为：
[0014]ω
e
＝ω-R(Q
e
)ω
d
[0015]式中：ω
d
为卫星的期望角速度；旋转矩阵R(Q
e
)有如下关系：
[0016][0017][0018]且满足约束条件||R(Q
e
)||＝1；
[0019]步骤二：卫星姿态规划方法：定义F
o
表示轨道坐标系，卫星本体坐标系F
B
相对于轨道坐标系F
o
的角速度表示为本体坐标系F
B
相对轨道坐标系F
o
的姿态使用单位四元数表示，并满足四元数约束条件；卫星多点成像任务的姿态是卫星连续做侧摆机动；通过姿态规划，得到卫星本体坐标系F
B
相对轨道坐标系F
o
的期望姿态四元数期望角速度及期望角加速度
[0020]姿态规划通过一个改进后的微分器实现，其具体形式为：
[0021][0022]式中：为规划的期望侧摆角度；为规划的期望侧摆角速度；T为控制器步长；为规划的期望侧摆角加速度；
[0023]计算公式如下所示：
[0024][0025]式中：r为卫星侧摆轴的最大机动角加速度；为规定的最大机动角速度；h为平滑因数；a为中间计算变量，其具体形式为：
[0026][0027][0028]式中：θ
v
为最终的期望侧摆角度，
[0029]根据规划得到的期望侧摆角度期望角速度和期望角加速度计算卫星本体坐标系相对轨道坐标系的期望姿态四元数期望角速度及期望角加速度为：
[0030][0031][0032][0033]步骤三：将姿态规划结果从轨道坐标系变换至惯性坐标系：
[0034]根据步骤二计算得到卫星本体坐标系相对轨道坐标系的期望姿态四元数期望角速度及期望角加速度卫星本体坐标系相对惯性坐标系的期望姿态四元数Q
d
、期望角速度ω
d
及期望角加速度a
d
为：
[0035][0036][0037][0038]式中：Q
oI
为轨道坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数；
[0039]步骤四：结合姿态规划信息，建立卫星误差运动学动力学方程：
[0040]根据步骤一中的卫星姿态运动学与动力学方程，结合步骤二和步骤三的姿态规划结果，可以得到卫星的误差运动学与动力学模型为：
[0041][0042][0043]步骤五：将卫星的姿态控制分为角度环路与角速度环路，进行控制律设计，卫星角度环路的控制器为：
[0044][0045]定义则卫星角速度环路的控制器为：
[0046][0047]本专利技术的有益效果是：本专利技术低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法，能够实现快速及高精度的机动控制，使卫星在轨成像期间的机动时间大幅度减小，提高了光
学遥感卫星的利用率。相比于经典控制方法，本方法同时兼具姿态机动快速性及高精度的姿态稳定度，在姿态机动过程中，卫星姿态能够平稳的向规划姿态收敛，该控制方法结构简单，易于实现，能够应用于工程实际中。
附图说明
[0048]图1本专利技术低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制系统结构示意图。
[0049]图2本专利技术低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法实施例中姿态规划效果图。
[0050]图3本专利技术低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法实施例中卫星多点成像效果图。
[0051]图4本专利技术低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法实施例中姿态控制跟踪收敛轨线图。
[0052]图5本专利技术低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法实施例中姿态控制误差收敛轨线图。
[0053]表1卫星多点成像任务模式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨光学遥感卫星多点成像快速机动控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：对低轨光学遥感卫星进行运动学动力学建模：定义F
I
表示惯性坐标系，F
B
表示卫星本体坐标系；卫星本体坐标系F
B
相对于惯性坐标系F
I
的角速度表示为本体坐标系F
B
相对惯性坐标系F
I
的姿态表示为单位四元数并满足约束条件其中q0为四元数Q的标量部分，q＝(q1,q2,q3)为四元数Q的矢量部分，表示n维实向量空间，卫星的运动学和动力学方程为：表示n维实向量空间，卫星的运动学和动力学方程为：式中：为一正定矩阵，表示卫星的转动惯量；I3为3
×
3单位矩阵；u为反作用飞轮的控制力矩；为反作用飞轮的总角动量；为反对称矩阵，对任意向量x,满足S(x)y＝x
×
y，其中
×
表示向量叉乘；卫星期望姿态定义为卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态指向，通过期望姿态四元数表示；q
d0
为期望姿态四元数Q
d
的标量部分，q
d
为期望姿态四元数Q
d
的矢量部分；姿态跟踪误差定义为误差四元数：式中：式中：表示四元数乘法，q
e0
为误差四元数Q
e
的标量部分，q
e
为误差四元数Q
e
的矢量部分；角速度跟踪误差为：ω
e
＝ω-R(Q
e
)ω
d
式中：ω
d
为卫星的期望角速度；旋转矩阵R(Q
e
)有如下关系：)有如下关系：且满足约束条件||R(Q
e
)||＝1；步骤二：卫星姿态规划方法：定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲友阳，刘萌萌，李峰，童鑫，戴路，
申请(专利权)人：长光卫星技术有限公司，
类型：发明
国别省市：