【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空航天，特别是涉及一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法、设备及介质。
技术介绍
1、随着空间技术的发展，低质量、低成本、快速开发的微小卫星迅速发展，这类微小卫星利用标准化、模块化设计，采用多卫星联合发射的方式，显著缩短了卫星的研制、生产和发射时间。目前，国内外已有多家卫星公司计划或正在建设数量庞大的通信、导航和遥感一体化微小卫星星座，具备高时效性的地球观测、星地物联网、导航信息和网络通信功能。卫星高精度的凝视控制是卫星实现高质量凝视成像、稳定数据传输的关键技术，可以有效保证在目标区域成像数据的准确性和通信链路的稳定性。然而，卫星凝视控制的精度受限于姿态测量传感器的测量精度、传感器支架形变误差等因素的影响。除此之外，凝视控制过程是一个高动态性的跟踪控制过程，而高精度动态跟踪控制问题是卫星控制系统设计的难点。针对上述问题，本专利技术提出了一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法，充分挖掘遥感卫星平台的信息测量能力，实现高精度的凝视跟踪控制，具有重要的工程应用价值。
技术实现思路
1、本专利技术目的是为了克服现有技术中的不足之处，提出了一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法、设备及介质。本专利技术所述方法利用凝视开环结合脱靶量闭环的跟踪控制方法，实现精确的凝视跟踪指向控制，保证卫星凝视成像的几何精度和凝视通信链路的稳定性。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法，所述方法包括以下步骤：
4、步骤2，凝视开环指向控制的期望姿态计算；
5、步骤3，卫星凝视开环控制；
6、步骤4，相机载荷的脱靶量闭环控制。
7、进一步地，在步骤1中，定义表示惯性坐标系，表示卫星本体坐标系；卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度表示为；卫星本体坐标系相对惯性坐标系的姿态表示为单位四元数，并满足约束条件；那么卫星的运动学和动力学方程用四元数表示为：
8、（1）
9、式中：为正定矩阵，表示卫星的转动惯量；为反作用飞轮的总角动量；为反对称矩阵，对任意向量满足，其中表示向量叉乘，表示3×3单位矩阵，表示反作用飞轮的控制力矩。
10、进一步地，在步骤1中，卫星期望姿态定义为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；姿态跟踪误差定义为误差四元数：
11、（2）
12、式中：，表示四元数乘法；
13、角速度跟踪误差为：
14、（3）
15、式中：为卫星的期望角速度；旋转矩阵有如下关系：
16、（4）
17、且满足约束条件；
18、其中，表示误差四元数的矢量部分，表示误差四元数的标量部分，表示的反对称矩阵，表示的反对称矩阵，表示误差角速度。
19、进一步地，在步骤2中，卫星凝视开环指向控制过程是卫星平台根据卫星轨道、姿态信息及地面站经纬度信息，控制卫星姿态卫星载荷及通信终端的主轴指向成像目标或通信地面站的过程。
20、进一步地，在步骤2中，通信地面站位置信息在地理坐标系下描述，即经度、纬度和高度，将通信地面站的位置信息变换至世界大地坐标系wgs-84的位置信息为：
21、（5）
22、式中：为子午圈曲率；为椭圆扁率；
23、在凝视指向控制过程中，卫星在大地坐标系的位置矢量，被指向目标在大地坐标系的位置矢量；卫星相对大地坐标系的速度投影至惯性坐标系为：
24、（6）
25、式中：为卫星在大地坐标系下的速度，为地球自转角速度。
26、进一步地，在步骤2中，在轨道坐标系下，坐标系z轴与地面目标方向的夹角为：
27、（7）
28、在轨道坐标系下，坐标系y轴在大地坐标系下的分量为：
29、（8）
30、坐标系x轴在大地坐标系下的分量为：
31、（9）
32、坐标系z轴在大地坐标系下的分量为：
33、（10）
34、根据轴角变换理论，轨道坐标系z轴绕转轴旋转角度即可指向地面目标，转轴为：
35、（11）
36、因此，卫星凝视跟踪控制指向地面目标轨道坐标系下的期望姿态四元数为：
37、（12）
38、综上，惯性坐标系下卫星凝视跟踪控制指向地面目标的期望姿态四元数为：
39、（13）
40、式中：为卫星的轨道四元数；
41、根据四元数微分方程，惯性坐标系的期望角速度为：
42、（14）
43、此外，期望角加速度通过求微分得到。
44、进一步地，在步骤3中，根据步骤1中卫星的姿态动力学模型，结合步骤2中计算的凝视开环期望姿态信息，得到卫星的误差运动学与动力学模型为：
45、（15）
46、根据建立的误差动力学方程，结合非线性控制设计高性能的动态跟踪控制器为：
47、（16）
48、式中：
49、（17）
50、其中：为比例控制增益；为微分控制增益；为前馈控制增益。
51、进一步地，在步骤4中，在凝视开环控制粗略指向目标后，卫星平台上的相机便能够观测到地面目标给定的标识，根据此标识，卫星平台上的相机能够反馈指向控制的脱靶量，为了实现更精准的凝视指向控制，根据凝视开环的期望姿态信息和卫星相机反馈的脱靶量信息，设计一种复合的脱靶量闭环控制，具体控制器为：
52、（18）
53、式中：，为相机反馈的俯仰脱靶量，为相机反馈的方位脱靶量。
54、本专利技术提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法的步骤。
55、本专利技术提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法的步骤。
56、与现有方法相比，本专利技术方法具有有益效果：
57、本专利技术所设计的用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法，能够实现卫星凝视成像、星地凝视通信的高精度指向跟踪控制，实现高精度的凝视成像控制，建立稳定、可靠的通信链路。本专利技术所设计的控制方法具备两个方面优势：一是所提出的方案不依赖于高精度、高可靠的测量传感器，而是利用光学主载荷确定指向的脱靶量信息，并将高精度的脱靶量信息引入到闭环控制，适用于低成本的微小卫星；二是提出了凝视开环/脱靶量闭环的复合凝视跟踪控制方法，实现了精确的指向控制。本专利技术的控制方法结构简单，易于实现，能够应用于工程实际中，对低成本的微小卫星凝视控制系统设计具有重要的工程应用价值。
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1.一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，定义表示惯性坐标系，表示卫星本体坐标系；卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度表示为；卫星本体坐标系相对惯性坐标系的姿态表示为单位四元数，并满足约束条件；那么卫星的运动学和动力学方程用四元数表示为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，卫星期望姿态定义为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；姿态跟踪误差定义为误差四元数：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤2中，卫星凝视开环指向控制过程是卫星平台根据卫星轨道、姿态信息及地面站经纬度信息，控制卫星姿态卫星载荷及通信终端的主轴指向成像目标或通信地面站的过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤2中，通信地面站位置信息在地理坐标系下描述，即经度、纬度和高度，将通信地面站的位置信息变换至世界大地坐标系WGS-84的位置信息为：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤2
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤3中，根据步骤1中卫星的姿态动力学模型，结合步骤2中计算的凝视开环期望姿态信息，得到卫星的误差运动学与动力学模型为：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤4中，在凝视开环控制粗略指向目标后，卫星平台上的相机便能够观测到地面目标给定的标识，根据此标识，卫星平台上的相机能够反馈指向控制的脱靶量，为了实现更精准的凝视指向控制，根据凝视开环的期望姿态信息和卫星相机反馈的脱靶量信息，设计一种复合的脱靶量闭环控制，具体控制器为：
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种用于卫星高精度凝视的复合姿态控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，定义表示惯性坐标系，表示卫星本体坐标系；卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度表示为；卫星本体坐标系相对惯性坐标系的姿态表示为单位四元数，并满足约束条件；那么卫星的运动学和动力学方程用四元数表示为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，卫星期望姿态定义为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；姿态跟踪误差定义为误差四元数：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤2中，卫星凝视开环指向控制过程是卫星平台根据卫星轨道、姿态信息及地面站经纬度信息，控制卫星姿态卫星载荷及通信终端的主轴指向成像目标或通信地面站的过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤2中，通信地面站位置信息在地理坐标系下描述，即经度、纬度和高度，将通信地面站的位置信息变换至世界大地坐标系wgs-84的位置信息为：...
【专利技术属性】
技术研发人员：戴路，曲友阳，范林东，解延浩，郑鸿儒，
申请(专利权)人：长光卫星技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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