视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法及系统。首先，基于透视投影原理建立空间目标在地心惯性系下位置坐标与像平面投影位置之间的对应关系；然后，建立视频小卫星姿态运动学方程和姿态动力学方程；接下来基于空间目标的投影位置计算视频小卫星的姿态误差四元数和姿态误差角速度；之后在像平面中设计成像限制区域，构造由误差四元数描述的对数型凸势函数；最后基于势函数和误差角速度设计防脱靶跟踪控制器进行卫星姿态控制。本发明专利技术能够对空间目标进行稳定视觉跟踪，并且在跟踪控制过程中能够防止目标投影偏离像平面，有效解决了空间目标脱靶问题，并且响应速度快，稳定性及控制收敛性良好。稳定性及控制收敛性良好。稳定性及控制收敛性良好。

【技术实现步骤摘要】
视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法及系统


[0001]本专利技术属于视频小卫星设计领域，具体涉及一种视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法及系统。

技术介绍

[0002]当前空间环境日益复杂，空间目标观测任务的重要性日益凸显，为弥补地面观测手段的不足，各国都在大力发展空间监视技术。视频小卫星由于其具有研制周期短、响应速度快、具有高分辨率实时连续成像功能等独特的优势，在对地面目标观测如灾害监测、资源普查、运动目标监视等，以及对空间目标观测都有广泛的应用。
[0003]世界上典型的视频小卫星有LAPAN
‑
TUBSAT卫星、Sumbandia视频卫星和天拓2号卫星等，它们都是通过实时调整卫星姿态，尽量使目标始终处于星载相机视野中，实现目标连续跟踪视频成像。
[0004]通常视频小卫星采用基于位置信息方法进行目标跟踪，通过目标位置信息来解算视频卫星姿态误差和角速度误差，然后控制执行机构实现卫星姿态机动和凝视跟踪。该方法由于需要获取目标先验位置信息，因而只适用于合作目标跟踪。然而，太空垃圾、故障航天器等许多空间目标都为非合作目标，它们的实时位置信息无法准确获得，无法通过基于位置的方法进行目标跟踪。
[0005]基于图像信息空间目标跟踪方法以像平面中目标投影实时偏差作为控制反馈，可以不依赖目标先验位置信息。通过相机图像进行视觉伺服控制在机器人、无人机等领域都有着较为广泛的应用。在视频卫星应用领域，文献“Design of the image
‑
based satellite attitude control algorithm”(作者：Zdesar A,Klancar G,Music G；会议：XXIV International Conference on Information IEEE Computer Society；年份：2013)针对对地观测卫星姿态跟踪问题提出了一种基于图像反馈的姿态控制算法，实现了对地面目标的指向跟踪；文献“Image
‑
based attitude maneuvers for space debris tracking”(作者：Felicetti L,Emami M R；期刊：Aerospace science and technology；年份：2018；卷(期)：76(5)；页码：58
‑
71)基于图像实现了对于空间碎片的运动预测和连续跟踪；文献“Spacecraft Staring Attitude Control for Ground Targets Using an Uncalibrated Camera”(作者：20.Song C.，Fan C.，Song,H.，Wang,M；期刊：Aerospace；年份：2022；卷(期)：9(6)；页码：283)采用未标定的相机完成了对于地面目标的凝视跟踪；专利“一种对非合作目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法”(专利技术人：项军华、张学阳、崔凯凯等；国别：中国；公开号：CN 106097397 A；公开时间：2016.11.09)针对视频卫星对非合作运动目标的跟踪成像问题，提供了一种姿态控制方法。但是上述文献都没有考虑如何确保目标始终落在视野中的问题。由于通常卫星姿态机动和目标轨道运动都会存在初始角速度，当目标初入视场时，目标与视频小卫星可能存在较大的相对运动，目标可能脱离相机视野而导致跟踪失败。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出一种视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法及系统，旨在解决视频小卫星视觉跟踪应用中目标初入相机视场时存在较大相对角速度的情况下容易造成目标视野丢失的问题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法，使用基于势函数V(q
e
)的防脱靶视觉跟踪控制器对视频小卫星进行姿态控制，包括以下步骤：
[0009]S1、基于透视投影原理，建立空间目标在地心惯性系下位置坐标与像平面投影位置之间的对应关系；
[0010]S2、进一步建立视频小卫星的姿态运动学方程和姿态动力学方程；
[0011]S3、基于所述空间目标的像平面投影位置，计算视频小卫星的姿态误差四元数和姿态误差角速度；
[0012]S4、在像平面中设计成像限制区域，构造由所述姿态误差四元数描述的对数型凸势函数；
[0013]S5、基于所述对数型凸势函数和视频小卫星的姿态误差角速度，设计视频小卫星的防脱靶视觉跟踪控制器。
[0014]优选的，步骤S1中所述空间目标在地心惯性系下的位置坐标与像平面投影位置之间的对应关系的数学表达式为：
[0015][0016]式中u和v分别为像素坐标系下目标投影点的横、纵坐标；u0和v0分别为相机光轴与像平面相交像素点的横、纵坐标；du和dv分别为像素点的横、纵向尺寸大小；f为相机焦距；
i
R
iT
为空间目标在地心惯性系下的位置坐标；
i
R
ib
为视频小卫星在地心惯性系下的位置坐标；为地心惯性系到卫星体坐标系的转换矩阵；z
c
为空间目标在相机坐标系下Z轴坐标。
[0017]优选的，步骤S2中所建立的视频小卫星的姿态运动学方程为：
[0018][0019]式中q为视频小卫星的姿态四元数，ω为卫星体坐标系相对于地心惯性系的角速度在卫星体坐标系下的描述；上标
·
表示变量的导数，符号表示四元数乘法运算；
[0020]所建立的视频小卫星的姿态动力学方程为：
[0021][0022]式中J为视频小卫星的转动惯量矩阵，u
c
为姿态控制力矩。
[0023]优选的，步骤S3中视频小卫星的姿态误差四元数的计算公式为：
[0024][0025]式中q
e
为视频小卫星的姿态误差四元数；a为欧拉轴矢量，a的表达式为：
[0026][0027]其中r
t
＝(x
pt y
pt f)
T
为相机坐标系下目标位置方向矢量，r
o
＝(00f)
T
为相机坐标系下光轴方向矢量，x
pt
＝(u
‑
u0)
·
du，y
pt
＝(v
‑
v0)
·
dv，u和v分别为像素坐标系下目标投影点的横、纵坐标；u0和v0分别为相机光轴与像平面相交像素点的横、纵坐标；du和dv分别为像素点横、纵向尺寸大小；f为相机焦距。θ为欧拉角，θ的表达式为：
[0028][0029]其中arccos表示反余弦函数。
[0030]视频小卫星的姿态误差角速度的计算过程为：
[0031]首先求解视频小卫星期望姿态四元数q
d
，其表达式为：
[0032][0033]式中右上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法，在对空间目标进行防脱靶跟踪控制时，使用基于预设的势函数V(q
e
)的防脱靶视觉跟踪控制器对视频小卫星进行姿态控制，其特征在于，所述防脱靶视觉跟踪控制器的函数表达式为：式中，u
c
为防脱靶视觉跟踪控制器输出的控制力矩；k2为正项常数；q
e
为视频小卫星的姿态误差四元数；ω
e
为视频小卫星的姿态误差角速度；ω为卫星体坐标系相对于地心惯性系的角速度在卫星体坐标系下的描述；ω
d
为期望角速度；为势函数V(q
e
)的一阶梯度；J为视频小卫星转动惯量；右上标*表示变量的共轭；上标
·
表示变量的导数；符号表示四元数乘法运算；vec(
·
)表示变量的矢量部分；A(q
e
)为误差四元数q
e
表示的转换矩阵，且满足：其中q
e0
为误差四元数的标量，q
ev
为误差四元数；I3×3代表三阶单位矩阵，上标
×
表示斜对称算子，对于任意向量x＝(x
1 x
2 x3)
T
，有表达式：2.如权利要求1所述的视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法，其特征在于，所述预设的势函数V(q
e
)的构造过程为：首先，设计视频小卫星的成像限制区域：取矩形视场的最大内切圆作为目标成像限制区域，要求目标像平面投影位置始终位于区域内保证目标不会脱离视场并且具有良好的观测视野，则相机坐标系下目标实时位置方向矢量r
t
与光轴方向矢量r
o
的夹角θ应满足如下关系：0≤θ<θ
max
，式中，θ
max
为当目标在像平面中的投影位置位于限制区域边界时，相机坐标系下目标位置方向矢量r
b
与光轴方向矢量r
o
的夹角，θ
max
的表达式为：式中，u
s
和v
s
分别为像平面上横向、纵向像素点数量，du和dv分别为像素点横、纵向尺寸大小，f为相机焦距；arctan为反正切函数；然后，根据所述成像限制区域，构造如下由误差四元数q
e
描述的势函数V(q
e
)：式中q
e
为姿态误差四元数的矢量，q
e0
为姿态误差四元数q
e
的标量；k1为正项常数，a为正项常数并且使得在0和1之间均匀分布；
V(q
e
)为一种对数型凸势函数；在空间目标的像平面投影位置位于成像限制区域之内时，所述势函数满足V(q
e
)≥0，并且当且仅当误差四元数q
e
＝(1 0)
T
时，势函数V(q
e
)取得局部最小值，也是全局最小值，且为零；当空间目标的像平面投影位置趋近限制区域边界时，所述势函数V(q
e
)接近无穷大。3.如权利要求1所述的视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法，其特征在于，所述使用基于预设的势函数V(q
e
)的防脱靶视觉跟踪控制器对视频小卫星进行姿态控制之前还包括以下步骤：S1、基于透视投影原理，建立空间目标在地心惯性系下位置坐标与像平面投影位置之间的对应关系；S2、建立视频小卫星的姿态运动学方程和姿态动力学方程；S3、基于空间目标的像平面投影位置，计算视频小卫星的姿态误差四元数和姿态误差角速度。4.如权利要求3所述的视频小卫星的空间目标防脱靶跟踪控制方法，其特征在于，步骤S1中所述空间目标在地心惯性系下的位置坐标与像平面投影位置之间的对应关系的数学表达式为：式中u...

【专利技术属性】
技术研发人员：王猛猛，范才智，宋超，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：