CN105438499A - 绕空间轴的偏流角跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，针对可见光相机等有效载荷的偏流角控制需求，首次提出了基于四元数的绕空间轴的偏流角跟踪控制算法，实现了一种更具用通用性的偏流角跟踪方式。根据偏流角计算对应的基准姿态、相机摆镜摆角和相机偏流角，以四元数描述卫星目标姿态，结合当前卫星姿态进行控制偏差四元数计算，而控制用姿态将创新性的直接采用偏差四元数的矢部，以此完成绕空间轴的偏流角跟踪控制。通过预先偏置一个基准姿态扩大侦查和相机成像范围，在目标点确定后进行偏流角精修。本发明通过以四元数来描述目标姿态基准，并用四元数简化描述卫星同姿态基准之间的姿态偏差，一步到位的实现绕空间轴偏流角跟踪控制。

Description

绕空间轴的偏流角跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及卫星姿轨控分系统偏流角跟踪控制技术领域，具体地，涉及一种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法。

背景技术

偏流角的定义即为目标在像平面投影的像移速度矢量，与推扫阵列的列向夹角，如图1所示。对于TDICCD相机等推扫方式工作的有效载荷，为保证其成像清晰，要求卫星姿轨控分系统通过姿态控制实时调整载荷的视轴，使成像目标在像平面的移动速度矢量方向垂直于推扫阵列。此即为卫星姿轨控分系统偏流角跟踪控制(偏航导引)要求。

一种带有摆镜机构的光学相机，其对于星体的偏流角跟踪与目前常规卫星跟踪方式不同。常规卫星相机光轴与本体轴重合，偏流角跟踪仅需要绕本体轴跟踪，如图2所示。但这种带有摆镜机构的光学相机，由于相机摆镜摆角任意，导致偏流角跟踪不能绕本体轴，必须根据摆镜摆角位置实时计算空间轴指向，在规定的时间内实现绕空间轴偏流角跟踪，保证相机对指定目标的成像。

而卫星由于搭载了摆镜，随着摆镜的运动，相当于相机光轴二倍角度变化。因此，姿轨控修正卫星的偏流角时，应绕瞬时的相机视场光轴方向，偏置一定角度，这个角度同偏流角。此时，卫星相当于绕空间轴姿态偏置，三轴姿态可能都有分量，如图3所示。此外，考虑可能的摆镜异常，将需要卫星平台通过姿态机动来调整相机光轴指向，以代替摆镜转动，而在此基础上的偏流角跟踪控制将变得更加复杂。此时，若继续采用三轴欧拉角依次旋转的方式进行姿态控制方式，将带来姿态解算及转序问题，且姿态控制流程复杂，无法实现快速跟踪偏流角。因此有必要开发一种新的适用于任意空间轴的偏流角跟踪控制方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，针对可见光相机等有效载荷的偏流角控制需求，首次提出了基于四元数的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法；此控制方法不同于现有卫星相机光轴与本体轴重合的偏流角跟踪方式，在相机光轴根据目标任意变化情况下，设计并实现了一种更具用通用性的偏流角跟踪方式，进而实现一步到位的绕空间轴偏流角跟踪控制。

为实现上述目的，本发明通过以下的技术方案实现。

一种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，包括如下步骤：

第一步，根据卫星当前工作的姿态引导模式和摆镜工作状态，配合星上自主任务规划程序，进行基准姿态四元数计算；

第二步，根据摆镜摆角和相机偏流角，进行偏流角修正四元数计算；

第三步，在基准姿态四元数和偏流角修正四元数的基础上，进行偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数计算；

第四步，根据姿态确定模块给出的当前卫星姿态四元数和第三步得到的目标姿态四元数，进行控制偏差四元数计算，采用偏差四元数的矢部作为控制用姿态。

优选地，所述第一步具体为：

所述姿态引导模式包括快速引导模式、详查引导模式和机动引导模式；其中：

在快速引导模式下：所述基准姿态q_ck的基准姿态四元数为q_ck＝[1000]；

在详查引导模式下：当自主规划程序发现目标后送出摆镜摆角的同时，按照3-1-2转序记录当前卫星的实时姿态角θ、ψ，下一拍，姿轨控系统根据收到的实时姿态角(滚动姿态)、θ(俯仰姿态)、ψ(偏航姿态)计算四元数q_ob即为基准姿态四元数q_ck，并在相机工作期间保持不变，其中，所述Q_z(ψ)表示绕z轴转过ψ角度的旋转四元数，为绕x轴转过角度的旋转四元数，Q_y(θ)为绕y轴转过θ角度的旋转四元数；表示四元数乘法。

机动引导模式：在相机摆镜异常时，通过姿态机动调整相机光轴指向，以代替摆镜转动；此时卫星首先完成转角为的滚动姿态机动，其中和分别为目标摆角和实际摆角，此时基准姿态q_ck的基准姿态四元数为：

优选地，为扩大侦查和相机成像范围，还包括如下步骤：预先偏置一个基准姿态q_ck，在目标点确定后对基准姿态q_ck进行偏流角精修；所述对基准姿态q_ck进行偏流角精修具体为：根据基准姿态q_ck的姿态值得出当前偏流角，姿轨控系统在基准姿态q_ck的基础上，绕当前光轴旋转一个当前偏流角。

优选地，所述第二步具体为：姿轨控系统根据含摆镜卫星偏流角跟踪原理，通过收到的偏流角β和摆镜摆角计算偏流角修正四元数q_T，所述偏流角修正四元数q_T为：

当收到的偏流角β和/或摆镜摆角超出相应阈值时，认为偏流角β和/或摆镜摆角数据无效，则退出偏流角跟踪模式。

优选地，所述第三步具体为：在第一步得到的基准姿态四元数的基础上，旋转第二步得到的偏流角修正四元数，得到偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数q_or：

$q_{or}=q_{ck}\⊗q_T$

所述偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数q_or为控制目标相对卫星轨道系的姿态四元数。

优选地，所述第四步具体为：

以陀螺积分四元数描述当前卫星本体相对卫星轨道系的姿轨控系统收到的实时姿态四元数q_ob，结合第三步得到的目标姿态四元数q_or，计算控制偏差四元数q_rb：

$q_{rb}=q_{or}^{-1}\⊗q_{ob};$

控制偏差四元数q_rb的矢部作为控制用姿态。

优选地，所述控制用姿态取控制偏差四元数的矢部的2倍，为：

根据控制用姿态，调用飞轮PI或飞轮PD控制算法进行姿态跟踪控制，至此完成了绕空间轴的偏流角跟踪控制；其中，q_rb(1)、q_rb(2)、q_rb(3)分别为误差四元数q_rb矢量部分，即q_rb＝[q_rb(0)q_rb(1)q_rb(2)q_rb(3)]。

优选地，陀螺积分四元数为：星敏可用状态下，每拍更新的星敏四元数。

本发明提供的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，根据偏流角计算对应的基准姿态、相机摆镜摆角和相机偏流角，以四元数描述卫星目标姿态，结合当前卫星姿态进行控制偏差四元数计算，而控制用姿态将创新性的直接采用控制偏差四元数的矢部，以此完成绕空间轴的偏流角跟踪控制。考虑到侦查系统确定目标点到相机成像仅30s，为扩大侦查和相机成像范围，可通过预先偏置一个基准姿态，在目标点确定后进行偏流角精修。

具体可分为如下模式实现：

快速引导模式：快速引导模式下，姿轨控系统始终跟踪星下点区域的偏流角，虽然视场边缘的成像质量稍有降低，但尽可能的扩大了可引导成像的区域，提高了目标的成像概率。

详查引导模式：在侦察系统确定目标点后控制摆镜摆动以实现相机视轴偏置，由于摆镜摆动导致偏流角突变量在0～0.5°以内，为了保证尽可能的清晰成像，对每一个目标成像前，都进行摆镜摆动引起的偏流角突变量精修，在任务规划时间预算上，预留20s给姿轨控系统修正此突变量。

机动引导模式：摆镜是一个活动部件，且存在单点失效隐患，为了保证在摆镜故障情况下仍能够最大限度的对自主任务规划的整个流程进行在轨验证，设计了姿态机动引导模式。该模式下，依靠绕滚动轴姿态机动尽可能的替代摆镜，进行视场调整。由于卫星平台无法像摆镜那样在3s内完成最大15°的角度调整，因此需事先完成姿态机动并偏置。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

以往卫星姿轨控分系统仅具备绕特定卫星主轴进行姿态旋转，以跟踪星下点偏流角；本发明通过以四元数来描述目标姿态基准，并用四元数简化描述卫星同姿态基准之间的姿态偏差，一步到位的实现绕空间轴偏流角跟踪控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为偏流角物理意义示意图；

图2为以往卫星偏流角跟踪示意图；

图3为含摆镜卫星偏流角跟踪示意图；

图4为卫星机动后跟踪偏流角示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，采用如下步骤：

第一步为根据姿态引导模式，配合星上自主任务规划程序，进行基准姿态四元数计算；

第二步根据摆镜摆角和相机偏流角，进行偏流角修正四元数计算；

第三步在基准姿态四元数和偏流角修正四元数的基础上，进行偏流角跟踪控制的最终的目标四元数计算；

第四步根据姿态确定模块给出的当前卫星姿态四元数和第三步得到的目标姿态四元数，进行控制偏差四元数计算，而控制用姿态将创新性的直接采用偏差四元数的矢部。

上述各姿态四元数以卫星轨道坐标系为参考坐标系。

在陀螺积分四元数(星敏可用时每拍更新为星敏四元数)可用时，根据地面指令来开始和停止偏流角跟踪。具体为：

(1)基准姿态四元数计算：

基准姿态四元数计算单元能够根据卫星当前工作模式和摆镜工作状态进行计算，允许摆镜故障、允许卫星当前姿态为跟踪星下点偏流角或处于机动后偏置飞行状态。

当前修正基准姿态四元数，既偏流角计算程序根据这个姿态值计算出了当前偏流角，姿轨控需要在此姿态基础上，绕当前光轴旋转一个偏流角。

快速引导模式：基准姿态四元数为q_ck＝[1000]；

详查引导模式：当自主规划程序在发现目标后送出摆镜摆角的同时，记录当前的实时姿态角时，下一拍，姿轨控收到的基准姿态四元数即为此实时四元数q_ck＝q_ob，并在相机工作期间保持不变。该模式下进行的偏流角计算考虑了卫星

机动引导模式：在相机摆镜异常时，将需要卫星平台通过姿态机动来调整相机光轴指向，以代替摆镜转动，并在此基础上完成偏流角跟踪控制。此时卫星需首先完成转角为的滚动姿态机动，其中和分别为目标摆角和实际摆角。

此时基准姿态四元数为

(2)偏流角修正四元数计算：

采用四元数描述偏流角修正四元数，其中β和分别为偏流角和摆镜摆角。

姿轨控根据收到的偏流角β和摆镜摆角计算偏流角修正四元数q_T。若收到的偏流角或摆镜摆角超出相应阈值，则退出偏流角跟踪模式。

根据前述的含摆镜卫星偏流角跟踪原理，偏流角修正需绕相机视轴旋转偏流角，相机视轴如图3所示，因此偏流角修正四元数q_T。

(3)目标姿态基准计算：

以四元数来描述偏流角跟踪控制的最终的目标四元数q_or，该目标四元数相对卫星轨道坐标系描述。

在第一步中基准姿态四元数的基础上，旋转第二步中得到的偏流角修正四元数，此即为偏流角跟踪控制的最终的目标四元数q_or，该四元数为控制目标相对卫星轨道系的姿态四元数。

$q_{or}=q_{ck}\⊗q_T$

(4)控制用姿态计算：

以四元数进行当前姿态和目标姿态的偏差计算，而控制用姿态将创新性的直接采用偏差四元数的矢部。

以陀螺积分四元数(星敏可用时每拍更新为星敏四元数)描述当前卫星本体相对轨道系的姿态四元数q_ob，结合第三步得到的目标姿态四元数q_or计算偏差四元数：

$q_{rb}=q_{or}^{-1}\⊗q_{ob}$

为简化控制算法，控制用姿态可直接取偏差四元数的矢部的2倍

根据上面计算得到的控制用姿态，调用飞轮PI或飞轮PD控制算法进行姿态跟踪控制，至此便完成了绕空间轴的偏流角跟踪控制；其中，其中，q_rb(1)、q_rb(2)、q_rb(3)分别为误差四元数q_rb矢量部分，即q_rb＝[q_rb(0)q_rb(1)q_rb(2)q_rb(3)]。

在本实施例中：

为扩大侦查和相机成像范围，可通过预先偏置一个基准姿态q_ck，在目标点确定后进行偏流角精修。偏流角计算程序根据这个姿态值计算出了当前偏流角，姿轨控需要在此姿态基础上，绕当前光轴旋转一个偏流角。

根据含摆镜卫星偏流角跟踪原理，偏流角修正需绕相机视轴旋转偏流角，以此进行偏流角修正四元数q_T计算。

在基准姿态四元数的基础上，旋转偏流角修正四元数，此即为偏流角跟踪控制的最终的目标四元数q_or，该四元数为控制目标相对卫星轨道系的姿态四元数。

根据姿态确定模块给出的当前卫星姿态四元数和第三步得到的目标姿态四元数，进行控制偏差四元数计算，而控制用姿态将创新性的直接采用偏差四元数的矢部。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据卫星当前工作的姿态引导模式和摆镜工作状态，配合星上自主任务规划程序，进行基准姿态四元数计算；

第二步，根据摆镜摆角和相机偏流角，进行偏流角修正四元数计算；

第三步，在基准姿态四元数和偏流角修正四元数的基础上，进行偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数计算；

第四步，根据姿态确定模块给出的当前卫星姿态四元数和第三步得到的目标姿态四元数，进行控制偏差四元数计算，采用偏差四元数的矢部作为控制用姿态。

2.根据权利要求1所述的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，所述第一步具体为：

所述姿态引导模式包括快速引导模式、详查引导模式和机动引导模式；其中：

在快速引导模式下：所述基准姿态q_ck的基准姿态四元数为q_ck＝[1000]；

在详查引导模式下：当自主规划程序发现目标后送出摆镜摆角的同时，按照3-1-2转序记录当前卫星的实时姿态角θ、ψ，下一拍，姿轨控系统根据收到的实时姿态角θ、ψ计算四元数q_ob即为基准姿态四元数q_ck，并在相机工作期间保持不变，其中，为滚动姿态角，θ为俯仰姿态角，ψ为偏航姿态，所述Q_z(ψ)表示绕z轴转过ψ角度的旋转四元数，为绕x轴转过角度的旋转四元数，Q_y(θ)为绕y轴转过θ角度的旋转四元数；表示四元数乘法；

机动引导模式：在相机摆镜异常时，通过姿态机动调整相机光轴指向，以代替摆镜转动；此时卫星首先完成转角为的滚动姿态机动，其中和分别为目标摆角和实际摆角，此时基准姿态q_ck的基准姿态四元数为：

3.根据权利要求2所述的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，为扩大侦查和相机成像范围，还包括如下步骤：预先偏置一个基准姿态q_ck，在目标点确定后对基准姿态q_ck进行偏流角精修；所述对基准姿态q_ck进行偏流角精修具体为：根据基准姿态q_ck的姿态值得出当前偏流角，姿轨控系统在基准姿态q_ck的基础上，绕当前光轴旋转一个当前偏流角。

4.根据权利要求1所述的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，所述第二步具体为：姿轨控系统根据含摆镜卫星偏流角跟踪原理，通过收到的偏流角β和摆镜摆角计算偏流角修正四元数q_T，所述偏流角修正四元数q_T为：

当收到的偏流角β和/或摆镜摆角超出相应阈值时，认为偏流角β和/或摆镜摆角数据无效，则退出偏流角跟踪模式。

5.根据权利要求4所述的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，所述第三步具体为：在第一步得到的基准姿态四元数的基础上，旋转第二步得到的偏流角修正四元数，得到偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数q_or：

$q_{or}=q_{ck}\⊗q_T$

所述偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数q_or为控制目标相对卫星轨道系的姿态四元数。

6.根据权利要求1所述的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，所述第四步具体为：

以陀螺积分四元数描述当前卫星本体相对卫星轨道系的姿轨控系统收到的实时姿态四元数q_ob，结合第三步得到的目标姿态四元数q_or，计算控制偏差四元数q_rb：

$q_{rb}=q_{or}^{-1}\⊗q_{ob};$

控制偏差四元数q_rb的矢部作为控制用姿态。

7.根据权利要求6所述的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，所述控制用姿态取控制偏差四元数的矢部的2倍，为：

根据控制用姿态，调用飞轮PI或飞轮PD控制算法进行姿态跟踪控制，至此完成了绕空间轴的偏流角跟踪控制；其中，q_rb(1)、q_rb(2)、q_rb(3)分别为误差四元数q_rb矢量部分，即q_rb＝[q_rb(0)q_rb(1)q_rb(2)q_rb(3)]。

8.根据权利要求6所述的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，其特征在于，陀螺积分四元数为：星敏可用状态下，每拍更新的星敏四元数。