CN103955224A - 一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法，在追踪器跟踪接近目标器的过程中，由于相对测量敏感器视场小，在跟踪过程中，追踪器和目标器之间的相对视线角超过测量敏感器的视场，为了保证在跟踪接近过程中相对测量敏感器正常工作，需要追踪器作为机动平台，控制追踪器的姿态指向目标器，跟踪两个航天器的相对视线角，使得追踪器的姿态指向目标器，保证目标器在相对测量敏感器的视场内，保证相对测量敏感器有效工作。

Description

一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法，可以保证小视场的相对测量敏感器有效工作，主要应用于空间两个航天器之间的相对运动控制。

背景技术

航天器在空间进行交会，是一个航天器接近另一个航天器的过程，就是在太空飞行中两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达空间同一位置的过程。目前我国已经在轨完成空间交会对接，在交会对接过程中，用相对测量敏感器进行相对导航。相对测量敏感器都有自己的视场要求，追踪器的姿态控制要保证追踪器和目标器之间的相对位置关系在相对测量敏感器的视场内。在从远到百米左右的接近过程中，因这些相对测量敏感器的视场大，追踪器姿态保持对地定向，目标器也在相对测量敏感器的视场内，相对测量敏感器能正常工作。

日本ETS-VII和欧洲研发自动转移飞行器(ATV)，远距离的相对测量敏感器都采用RGPS，RGPS视场大，姿态采用对地定向，也可以使得目标器在相对测量敏感器的视场内。

微波测距仪作为相对测量敏感器，其测量视场小，远远小于追踪器和目标器之间的相对位置关系，因此追踪器不能采用对地定向姿态控制方式，需要追踪器的姿态沿视线方向跟踪两个航天器之间的相对位置关系，使得追踪器的姿态指向目标器方向，保证目标器在微波测距仪的视场内。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供了一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法，实现了追踪器的姿态指向目标器，保证了小视场的相对测量敏感器能正常工作。

本发明解决的技术方案：一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法，包括步骤如下：

(1)根据追踪器和目标器之间的相对关系得到追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T;$

(2)根据追踪器姿态敏感器测量得到追踪器的滚动轴姿态角俯仰轴姿态角偏航轴的姿态角追踪器的滚动轴角速度俯仰轴角速度偏航轴的角速度

(3)根据步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算追踪器和目标器的相对方位角ψ_T及追踪器和目标器的相对仰角θ_T，计算公式如下：

ψ_T＝arctan2(y_out,x_out)

${\mathrm{\θ}}_T=\arctan 2(-z_{\mathrm{out}},\sqrt{{x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2})$

其中，arctan2()函数是反正切函数，该反正切函数取值范围为[-π，π]；

根据步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ，并

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{x_{\mathrm{out}}^2+y_{\mathrm{out}}^2+z_{\mathrm{out}}^2}$

根据得到的沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ和步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算追踪器和目标器的相对速率

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{x_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}+y_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}+z_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}}{\mathrm{\ρ}}$

根据计算出的沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ和追踪器和目标器的相对速率及步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 按照下面公式计算追踪器和目标器的相对方位角角速度和追踪器和目标器的相对仰角角速度

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_T=((-\mathrm{\ρ}\·{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}+\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}\·z_{\mathrm{out}})/\left(\mathrm{\ρ}\sqrt{{x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2}\right))$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_T=({\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}{x}_{\mathrm{out}}-y_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}})/({x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2);$

(4)设置追踪器滚动轴的目标角和目标角速度为0；

(5)根据步骤(2)测量得到追踪器的滚动轴姿态角俯仰轴姿态角偏航轴的姿态角追踪器的滚动轴角速度俯仰轴角速度偏航轴的角速度和步骤(3)得到的追踪器和目标器的相对方位角ψ_T和追踪器和目标器的相对方位角角速度追踪器和目标器的相对仰角θ_T和追踪器和目标器的相对仰角角速度步骤(4)设置的追踪器滚动轴的目标角和目标角速度计算追踪器滚动轴、俯仰轴和偏航轴的姿态角和角速度之间的差值φ_x,φ_y,φ_z与目标角和角速度之间的差值计算公式如下：

${\mathrm{\φ}}_y={\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\θ}}_T,$ ${\mathrm{\φ}}_z={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\ψ}}_T$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_y={\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}_{\mathrm{out}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_T,$ ${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_z={\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}}_{\mathrm{out}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_T;$

(6)根据步骤(5)得到的追踪器滚动轴、俯仰轴和偏航轴的姿态角和角速度之间的差值φ_x,φ_y,φ_z与目标角和角速度之间的差值调用姿态相平面控制算法，得到控制力矩，由姿态推力器完成追踪器姿态控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明由于采用追踪器的姿态跟踪相对视线角的控制方法，使得追踪器的姿态指向目标器，保证安装在追踪器的相对测量敏感器的测量轴指向目标器，保证目标器在相对测量敏感器的视场中心，使得视场小的相对测量敏感器也可以正常工作。

(2)微波测距仪视场小，优点是重量轻，功耗小，没有伺服机构，该方法适用于测量设备视场受限情况下的合作目标、非合作目标的航天器跟踪接近的自主控制任务。

附图说明

图1为本发明一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

空间两个航天器(追踪器和目标器)之间的相对运动控制，需要有相对测量敏感器，获得两个航天器之间的相对关系，一般相对测量敏感器都有视场要求，在跟踪接近过程中，要保证目标器在相对测量敏感器的视场内，保证相对测量敏感器有效工作。

微波测距仪固定安装在追踪器上，微波测距仪的测量轴与追踪器的本体轴指向一致，其视场为小，在追踪器跟踪接近过程中，由于追踪器和目标器之间的相对位置关系变化大，会超过微波测距仪的视场，导致微波测距仪误差工作，为了保证在跟踪接近过程中微波测距仪正常工作，需要追踪器作为机动平台，控制追踪器的姿态指向目标器，保证目标器在微波测距仪的视场内。

根据追踪器和目标器的相对位置关系，获得相对位置和相对速度。根据相对位置和相对速度，计算沿视线的方位角和仰角以及方位角速度和仰角速度，作为俯仰轴和偏航轴的目标角和目标角速度，可以保证追踪器的姿态指向目标器，沿视线方向的滚动轴可以任意，考虑到测控条件，滚动轴的目标角设置为0，保证稳定。

根据追踪器姿态敏感器测量得到三轴(滚动轴、俯仰轴和偏航轴)姿态角和三轴姿态角速度。

计算追踪器三轴姿态角和角速度与目标角和目标角速度之间的差，作为姿态控制算法的输入，姿态控制采用相平面控制算法。

如图1所示，本发明一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法，步骤如下：

(1)根据追踪器和目标器之间的相对关系得到追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T(x轴、y轴、z轴的相对位置)和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T$ (x轴、y轴、z轴的相对速度)；

(2)根据追踪器姿态敏感器测量得到追踪器的三轴(滚动轴，俯仰轴，偏航轴)姿态角(量纲：弧度)，三轴角速度，(量纲：弧度/秒)

(3)根据步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算追踪器和目标器的相对方位角ψ_T及追踪器和目标器的相对仰角θ_T，计算公式如下：

ψ_T＝arctan2(y_out,x_out)

${\mathrm{\θ}}_T=\arctan 2(-z_{\mathrm{out}},\sqrt{{x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2})$

其中，arctan2()函数是反正切函数，该反正切函数取值范围为[-π，π]；

根据步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ，并

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{x_{\mathrm{out}}^2+y_{\mathrm{out}}^2+z_{\mathrm{out}}^2}$

根据得到的沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ和步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算追踪器和目标器的相对速率

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{x_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}+y_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}+z_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}}{\mathrm{\ρ}}$

根据计算出的沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ和追踪器和目标器的相对速率及步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 按照下面公式计算追踪器和目标器的相对方位角角速度和追踪器和目标器的相对仰角角速度

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_T=((-\mathrm{\ρ}\·{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}+\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}\·z_{\mathrm{out}})/\left(\mathrm{\ρ}\sqrt{{x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2}\right))$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_T=({\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}{x}_{\mathrm{out}}-y_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}})/({x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2);$

(4)设置追踪器滚动轴的目标角和目标角速度为0；

(5)根据步骤(2)测量得到追踪器的滚动轴姿态角俯仰轴姿态角偏航轴的姿态角追踪器的滚动轴角速度俯仰轴角速度偏航轴的角速度和步骤(3)得到的追踪器和目标器的相对方位角ψ_T和追踪器和目标器的相对方位角角速度追踪器和目标器的相对仰角θ_T和追踪器和目标器的相对仰角角速度步骤(4)设置的追踪器滚动轴的目标角和目标角速度计算追踪器滚动轴、俯仰轴和偏航轴的姿态角和角速度之间的差值φ_x,φ_y,φ_z与目标角和角速度之间的差值计算公式如下：

${\mathrm{\φ}}_y={\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\θ}}_T,$ ${\mathrm{\φ}}_z={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\ψ}}_T$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_y={\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}_{\mathrm{out}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_T,$ ${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_z={\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}}_{\mathrm{out}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_T;$

(6)根据步骤(5)得到的追踪器滚动轴、俯仰轴和偏航轴的姿态角和角速度之间的差值φ_x,φ_y,φ_z与目标角和角速度之间的差值调用姿态相平面控制算法，得到控制力矩，由姿态推力器完成追踪器姿态控制。

我国某型号卫星上首次在星上采用追踪器的姿态跟踪相对视线角的控制方法，经过在轨试验表明，应用了本发明算法后，保证了在跟踪接近过程中目标器始终在微波测距仪的视场中，在跟踪接近过程中，微波测距仪正常工作，输出所需要的相对位置信息。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种用于相对运动视线跟踪的姿态控制方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)根据追踪器和目标器之间的相对关系得到追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T;$

(2)根据追踪器姿态敏感器测量得到追踪器的滚动轴姿态角俯仰轴姿态角偏航轴的姿态角追踪器的滚动轴角速度俯仰轴角速度偏航轴的角速度

(3)根据步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算追踪器和目标器的相对方位角ψ_T及追踪器和目标器的相对仰角θ_T，计算公式如下：

ψ_T＝arctan2(y_out,x_out)

${\mathrm{\θ}}_T=\arctan 2(-z_{\mathrm{out}},\sqrt{{x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2})$

其中，arctan2()函数是反正切函数，该反正切函数取值范围为[-π，π]；

根据步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[xout yout z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ，计算公式如下：

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{x_{\mathrm{out}}^2+y_{\mathrm{out}}^2+z_{\mathrm{out}}^2}$

根据得到的沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ和步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 计算追踪器和目标器的相对速率

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{x_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}+y_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}+z_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}}{\mathrm{\ρ}}$

根据计算出的沿追踪器和目标器视线方向的追踪器和目标器的相对距离ρ和追踪器和目标器的相对速率及步骤(1)得到的追踪器和目标器的相对位置和追踪器和目标器的相对速度在追踪器轨道系下的分量[x_out y_out z_out]^T和 ${\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}& {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right]}^T,$ 按照下面公式计算追踪器和目标器的相对方位角角速度和追踪器和目标器的相对仰角角速度

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_T=((-\mathrm{\ρ}\·{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{out}}+\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}\·z_{\mathrm{out}})/\left(\mathrm{\ρ}\sqrt{{x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2}\right))$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_T=({\stackrel{\·}{y}}_{\mathrm{out}}{x}_{\mathrm{out}}-y_{\mathrm{out}}{\stackrel{\·}{x}}_{\mathrm{out}})/({x_{\mathrm{out}}}^2+{y_{\mathrm{out}}}^2);$

(4)设置追踪器滚动轴的目标角和目标角速度为0；

(5)根据步骤(2)测量得到追踪器的滚动轴姿态角俯仰轴姿态角偏航轴的姿态角追踪器的滚动轴角速度俯仰轴角速度偏航轴的角速度和步骤(3)得到的追踪器和目标器的相对方位角ψ_T和追踪器和目标器的相对方位角角速度追踪器和目标器的相对仰角θ_T和追踪器和目标器的相对仰角角速度步骤(4)设置的追踪器滚动轴的目标角和目标角速度计算追踪器滚动轴、俯仰轴和偏航轴的姿态角和角速度之间的差值φ_x,φ_y,φ_z与目标角和角速度之间的差值计算公式如下：

${\mathrm{\φ}}_y={\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\θ}}_T,$ ${\mathrm{\φ}}_z={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\ψ}}_T$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_y={\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}_{\mathrm{out}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_T,$ ${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_z={\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}}_{\mathrm{out}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_T;$

(6)根据步骤(5)得到的追踪器滚动轴、俯仰轴和偏航轴的姿态角和角速度之间的差值φ_x,φ_y,φ_z与目标角和角速度之间的差值调用姿态相平面控制算法，得到控制力矩，由姿态推力器完成追踪器姿态控制。