一種對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法技術
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種航天航空領域的衛星姿態控制方法，它為視頻衛星對空間合作目標跟蹤成像提供一種姿態控制方法，屬于自動控制
技術介紹
視頻衛星是一種采用視頻成像、視頻數據實時傳輸、人在回路交互式操作工作方式的新型天基信息獲取類微小衛星。與傳統衛星相比，視頻衛星可提供實時視頻圖像，與靜止單幅圖像相比增加了時域信息，可獲取目標的動態過程信息，能夠探測到動態事件的發生，并可以基于視頻圖像中的序列圖像進行圖像重構獲得更高分辨率的圖像，為抗災救災、戰時監控、計劃決策提供第一手資料。空間合作目標是指已知運動軌道信息的空間飛行器，利用視頻衛星對空間合作目標跟蹤成像，相當于在太空架起了攝像機，不受氣象條件的限制，且避免了大氣對目標信號的影響，實時性更好，可以為衛星健康監測、故障診斷提供有力支持，未來甚至能直播太空的重要事件。已有文獻對視頻衛星對地面固定目標的凝視成像姿態控制方法進行了較為深入的研究，但未有涉及對空間合作目標的跟蹤成像姿態控制。
技術實現思路
針對視頻衛星對空間合作目標的跟蹤成像問題，本專利技術提供一種對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法。該方法首先給出了成像的時間窗口需滿足的條件，以及期望姿態四元數與期望角速度的求解方法，建立了其姿態運動的數學模型；以此模型為受控對象，設計了PD控制器。本專利技術所提出的跟蹤成像姿態控制器結構框圖如圖1所示。實踐表明，由該方法控制的閉環系統能夠穩定指向空間合作目標，且具有良好的指向精度和穩定度。一種對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，首先確定成像時間窗口需滿足的條件，并由給定的衛星軌道狀態和目標軌道信息計算期...
【技術保護點】
一種對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、給定視頻衛星與空間合作目標的軌道狀態信息；S2、確定跟蹤成像時間窗口的條件；S3、由給定的視頻衛星與空間合作目標的軌道狀態信息計算期望姿態四元數和角速度；S4、計算姿態跟蹤誤差四元數與實際角速度與期望角速度之間的誤差量，然后建立姿態動力學模型；S5、選取控制律參數，計算飛輪力矩控制量。
【技術特征摘要】
1.一種對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、給定視頻衛星與空間合作目標的軌道狀態信息；S2、確定跟蹤成像時間窗口的條件；S3、由給定的視頻衛星與空間合作目標的軌道狀態信息計算期望姿態四元數和角速度；S4、計算姿態跟蹤誤差四元數與實際角速度與期望角速度之間的誤差量，然后建立姿態動力學模型；S5、選取控制律參數，計算飛輪力矩控制量。2.根據權利要求1所述的對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，其特征在于，步驟S1中，給定的視頻衛星與空間合作目標的軌道狀態信息如下：地球慣性系下，視頻衛星為S，空間合作目標為T，地心為O，令rst＝rt-rs，rs＝||rs||，rt＝||rt||，rst＝||rst||。3.根據權利要求2所述的對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，其特征在于，步驟S2中，對于搭載可見光視頻載荷的視頻衛星，實現對空間合作目標的跟蹤成像，需要滿足以下三個條件：(1)視頻衛星和空間合作目標可見；(2)距離要求；設視頻衛星上的星載相機的焦距為f，像元大小為d，目標尺寸為L，像距為v，為使成像有意義，空間合作目標在像平面上的投影應超過一個像素，得到距離要求 r s t < L f d + f = · L f d - - - ( 1 ) ]]>(3)光線要求為使空間合作目標良好成像，需要空間合作目標迎光且不處于地球的陰影區。4.根據權利要求3所述的對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，其特征在于，步驟S2中，視頻衛星和空間合作目標可見即地心O到視頻衛星與空間合作目標連線ST的距離大于地球半徑，則 | | r s × r t | | r s t > R - - - ( 2 ) ]]>其中R為地球半徑。5.根據權利要求3所述的對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，其特征在于，步驟S2中，在地球慣性系下，認為太陽光是來自太陽-地心方向的平行光，設日地方向單位矢量為sun，則空間合作目標迎光即為在慣性系下，rst·sun＞0 (3)空間合作目標不處于地球的陰影區需滿足 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是太陽光下地球的陰影區域形成圓錐的半頂角，為0.264°。6.根據權利要求3所述的對空間合作目標跟蹤成像的衛星姿態控制方法，其特征在于，步驟S3包括以下步驟：S3.1計算期望姿態四元數定義視頻衛星軌道坐標系為Oo-XoYoZo，它以視頻衛星的質心為坐標系原點，OoXo軸沿著視頻衛星的速度方向，OoZo軸從地心指向視頻衛星質心；定義視頻衛星本體坐標系為Ob-XbYbZb，它以視頻衛星的質心為坐標系原點，三個坐標軸方向分別沿著視頻衛星本體慣量主軸三個方向；定義參考空間合作目標坐標系為Ot-XtYtZt，它以視頻衛星的質心為坐標系原點，以視頻衛星的質心與目標點T的連線并且指向目標點的方向為坐標系的OtZt軸，以OtZt軸與視頻衛星軌道坐標系OoZo的叉乘為參考空間合作目標坐標系的OtYt軸；假設星載相機固連在視頻衛星上，星載相機的光軸與視頻衛星本體坐標系的Z軸重合，于是跟蹤成像就是控制視頻衛星本體坐標系跟蹤參考空間合作目標坐標系的過程，即視頻衛星本體坐標系相對于地球慣性系的姿態四元數qb跟蹤參考空間合作目標坐標系相對于地球慣性系的姿態四元數qt的過程；已知視頻衛星的軌道傾角、升交點赤經和升交點赤經起算的軌道幅角分別為i,Ω,u，那么視頻衛星軌道坐標系相對于地球慣性坐標系的方向余弦陣Roi可以表示為 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)分別表示繞X軸，Y軸，Z軸旋轉角度θ的坐標變換矩陣；參考空間合作目標坐標系的Z軸在地球慣性系下的單位矢量為 Z t i = R i o r s t o r s i o - - - ( 6 ) ]]>其中的分母表示長度，分子是黑體，表示矢量，二者相除得到單位矢量，且：Rio＝RoiT (7)參考空間合作目標坐標系的Y軸在地球慣性系下的單位矢量為 Y t i = Z t i × Z o i | | Z t i × Z o i | | - - - ( 8 ) ]]>其中是視頻衛星軌道坐標系Z軸在地球慣性系下的單位矢量： Z o i = R i o ( 0 , 0 , 1 ) T - - - ( 9 ) ]]>參考空間合作目標坐標系的X軸在地球慣性系下的單位矢量為 X t i = Z t i × Y t i | | Z t i × Y t i | | - - - ( 10 ) ]]>于是得到參考空間合作目標坐標系相對于地球慣性系的方向余弦陣為Rti R t i = [ X t i , Y t i , Z t i ] = ( r i j ) 3 × 3 - - - ( 11 ) ]]>其中rij表示矩陣元素，矩陣是3*3矩陣，i和j分別表示矩陣中的行和列，共9個元素；式(11)就是跟蹤目標成像的期望姿態矩陣；令期望姿態四元數qt＝(q1:3,q4)T，其中q1:3＝(q1,q2,q3)T，則 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 ...
【專利技術屬性】
技術研發人員：項軍華，張學陽，李泰博，曾國強，張琦，崔凱凱，稅海濤，吳國福，李志軍，袁福，高玉東，連一君，韓大鵬，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43
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