CN109178345A - 一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法 - Google Patents

一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法 Download PDF

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CN109178345A CN201811151619.7A CN201811151619A CN109178345A CN 109178345 A CN109178345 A CN 109178345A CN 201811151619 A CN201811151619 A CN 201811151619A CN 109178345 A CN109178345 A CN 109178345A
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Abstract

本发明涉及一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，属于卫星控制技术领域。本发明首次在卫星系统中集成应用了云台及云台相机技术，使整星具备了牵引性的对动目标态势感知能力及相匹配的面向应急任务的星上实时响应能力，充分拓展开发和利用高机动遥感卫星的功能和整星资源。

Description

一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制 方法
技术领域
本发明涉及一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，属于卫星控制技术领域，适用于运行于低轨的成像载荷执行低空未知动目标捕获、跟踪的自主任务规划任务。
背景技术
飞机在军事领域和民用商业领域的具有重要地位，具有很高的辨识、追踪价值，是一类典型的空中动目标。对包括军用机场、航母作战编队等在内的军事热点进行动目标的识别和跟踪能够及时了解目标区域的战略动态，获得及时有效地战役、战术信息作为重要的战略保障资源。在民用商业领域，对空中民航飞机的动态识别能够辅助机场的了解空中流量及飞机飞行情况，为地面提供必要的信息支持。因此，开展遥感卫星面向飞机这一类典型空中动目标的识别和追踪能力的相关技术研究与实践具有切实的应用需求和广泛的应用前景。
目前，光学成像遥感卫星对热点区域的侦察监控还处于被动的按照地面预先排布的任务指令完成规定的成像任务，存在如下不足：可见光载荷视场狭小，针对可能的强机动未知运动目标捕获失败风险较高；可见光载荷为整星载荷，直接利用星体机动能力捕获空中动目标并完成捕获跟踪侦察极大地浪费了整星资源。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，该方法能够快速的捕获跟踪空中未知动目标，支持成像载荷迅速到位对目标进行观测侦察，工程实现容易。
本发明的技术解决方案是：
一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，所述的空中动目标的运动规律未知；
首先给出相关参数定义：卫星在轨道坐标系的姿态为[φ θ ψ}]T，3-1-2转序为先绕Z轴旋转ψ，再绕X轴旋转φ，然后绕Y轴旋转θ，旋转矩阵表示为CBO；云台在本体坐标系的安装矩阵表示为CPB；
云台绕X轴旋转角度定义为α，云台绕Y轴旋转角度定义为β，云台转序定义为先绕X轴旋转，再绕Y轴旋转；
安装在云台上的相机安装矩阵为单位阵，云台相机的像素大小为dP，云台相机的焦距为fs；
按照云台相机视场将目标区域划分为网格区域块，比如目标区域为120km*120km，云台相机视场的视场为40km*40km，则目标区域被划分为九个网格区域块；以距离云台相机最近的网格区域块为1号区域块，成“S”形进行扫描，依次为2号区域块、3号区域块、…；
该方法中云台相机首先指向1号区域块区域中心，若未发现空中动目标，云台相机依次指向2号区域块、3号区域块、…，由云台当前位置指向1号区域块中心的步骤如下：
第一步，根据卫星的姿态运动对云台指向进行补偿。
补偿卫星姿态运动后，卫星到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在卫星本体坐标系的向量用下式求解：
为卫星所在轨道坐标系到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在轨道坐标系的表示。
补偿矩阵CΔΦ,cmp为：
CΔΦ，cmp＝Cy(ΔΦbo，y)*Cx(ΔΦbo，x)*Cz(ΔΦbo，z)
其中，
上式中，ΔΦbo为卫星当前时刻相对轨道坐标系的姿态角补偿量，可由下式求解：
ΔΦbo＝[ΔΦbo,x,ΔΦbo，y，ΔΦbo，z]＝ΔtP*(ωbo，t+0.5*ΔtP*dωbo，t)；
其中，ΔtP为云台响应转角指令的延迟时间，ωbo，t为卫星在当前时刻的相对轨道坐标系的姿态角速度；dωbo，t为卫星第t-N*ΔT时刻到当前时刻相对轨道坐标系的平均角加速度，计算公式为：
ωbo，t-N*ΔT为卫星前N拍相对轨道坐标系的姿态角速度，ΔT为卫星姿态运动的控制周期。
第二步，计算云台指向网格区域块的指向目标角；
卫星到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在本体系的表示为那么卫星到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在云台本体坐标系下描述为：
则云台指向目标角αac_cal和βac_cal可用下式求解：
α0和β0分别为云台处于零位时的角度值；
对以上求解得到的指向目标角αac_cal和βac_cal做限幅处理得到限幅后的指向目标角：
其中，αLim为云台绕X轴旋转角度的转动角度限幅αLim＝180°，βLim为云台绕Y轴旋转角度的转动角度限幅βLim＝75°，
第三步，对云台指向目标角进行平滑处理；
根据云台的最大转动角速度ωPαLim、ωPβLim和角加速度dωPαLim、dωPβLim，ωPαLim＝2.5°/s，ωPβLim＝2.5°/s，dωPαLim＝0.2°/s2，dωPβLim＝0.2°/s2，对云台指向目标角做平滑处理，给出云台转动的角速度和角加速度指令。
定义：
云台的控制周期为ΔTP，
上一周期处理得到的云台指令转角为αc_past和βc_past，
转角速度为ωαc_past和ωβc_past，
前周期平滑前后指令偏差为αc_p_e和βc_p_e,
未平滑指令的增量为αace和βace.
则X轴转角的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
αc＝αc_past+ΔTP*ωPα
得到的云台绕X轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
Y轴转角的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
βc＝βc_past+ΔTP*ωPβ
得到的云台绕Y轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
第四步，计算云台运动对星体的扰动力矩；
根据云台运动信息计算对星体的扰动力矩，云台控制在上一拍的角动量为HP_past，计算本拍的角动量HP。
X轴的角动量可由下式求解：
绕X轴旋转αc角度的旋转矩阵为：
云台X轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台X轴平滑后的角速度ωPα在卫星本体系下表示为：
X轴的角动量为：
Y轴的角动量可由下式求解：
先绕X轴旋转αc角度，再绕Y轴旋转βc角度的旋转矩阵为：
云台Y轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台Y轴平滑后的角速度ωPβ在卫星本体系下表示为：
Y轴的角动量为：
JX11、JY21、JY22为云台在卫星本体坐标系的惯量参数。
云台运动引起的角动量为：
HP＝HPX+HPY
那么云台运动引起的扰动力矩可由下式求解：
第五步，云台与星体姿态协同控制；
云台当前指向角测量值为αm和βm，云台控制的转动角速度指令可由下式求解：
并对上式做限幅处理，处理方式如下：
若否则，不处理。
若否则，不处理；
将第四步得到的扰动力矩对星体的姿态进行补偿，完成了云台与星体姿态的协同控制；
若在某一区域内发现空中动目标，则根据空中动目标在云台相机视场内成像坐标，修正云台指向指令，并完成对空中动目标的跟踪，在当前网格区域块内跟踪空中动目标并完成星体姿态协同控制的步骤如下：
第六步，捕获空中动目标后的云台指向目标角补偿及指向目标角；
空中动目标在云台相机成像本体坐标系下的输出为[xS yS]T，那么，云台指向目标角补偿量αcmp和βcmp可用下式求解：
云台指向目标角αac_pc和βac_pc可用下式求解：
αac_pc＝αac+αcmp，βac_pc＝βac+βcmp
第七步，对第六步得到的云台指向目标角进行平滑处理；
对云台指向目标角进行平滑处理使得空中动目标保持在云台相机视场中心。X轴转角αac_pc的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
αc_pc＝αc_past+ΔTP*ωPα-pc
得到的云台指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
Y轴转角βac_pc的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
βc_pc＝βc_past+ΔTP*ωPβ-pc
得到的云台绕Y轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
第八步，计算云台运动对星体的扰动力矩；
根据云台运动信息计算对星体的扰动力矩，云台控制在上一拍的角动量为HP_past，计算本拍的角动量HP。
X轴的角动量可由下式求解：
绕X轴旋转αc_pc角度的旋转矩阵为：
云台X轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台X轴平滑后的角速度ωPα在卫星本体系下表示为：
X轴的角动量为：
Y轴的角动量可由下式求解：
先绕X轴旋转αc_pc角度，再绕Y轴旋转βc_pc角度的旋转矩阵为：
云台Y轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台Y轴平滑后的角速度ωPβ在卫星本体系下表示为：
Y轴的角动量为：
JX11、JY21、JY22为云台在卫星本体坐标系的惯量参数。
云台运动引起的扰动力矩计算可用下式求解：
云台运动引起的角动量为：
HP_pc＝HPX_pc+HPY_pc
那么云台运动引起的扰动力矩可由下式求解：
第九步，云台与星体姿态协同控制；
云台当前指向角测量值为αm和βm，云台控制的转动角速度指令可由下式求解：
并对上式做限幅处理，处理方式如下：
若否则，不处理。
若否则，不处理；
将第八步得到的扰动力矩对星体的姿态进行补偿，完成了云台与星体姿态的协同控制。
有益效果
本发明首次在卫星系统中集成应用了云台及云台相机技术，使整星具备了牵引性的对动目标态势感知能力及相匹配的面向应急任务的星上实时响应能力，充分拓展开发和利用高机动遥感卫星的功能和整星资源，与现有技术相比，优点在于：
(1)利用云台相机小而快的特点，将其首次集成在整星成像任务，可有效解决可见光载荷视场狭小，可能的强机动未知运动目标捕获失败风险较高的问题；
(2)针对未知运动的空中动目标，利用云台运动平滑与轨迹规划技术，规划云台指向轨迹以完成捕获，捕获过程中，考虑整星姿态机动的影响，对云台指向进行补偿；
(3)未知空中动目标捕获后，将目标成像信息闭环到云台指向规划和云台指向控制中，保证了对未知动目标的持续跟踪和观测，避免丢失目标。
(4)较为精确的预估了云台运动过程中产生的对整星的扰动力矩，并提供给整星姿态控制系统作为前馈补偿量，最大程度上降低了对整星姿态运动的影响。
附图说明
图1为云台指向轨迹规划方法示意图。
图2为平滑得到的指向角α的角位置、角速度、角加速度示意图。
图3为云台相机捕获空中未知动目标后该目标在视场内坐标的示意图。
图4为云台指向及星体姿态协同控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，所述的空中动目标的运动规律未知；
首先给出相关参数定义：卫星在轨道坐标系的姿态为[φ θ ψ}]T，3-1-2转序为先绕Z轴旋转ψ，再绕X轴旋转φ，然后绕Y轴旋转θ，旋转矩阵表示为CBo；云台在本体坐标系的安装矩阵表示为CPB；
云台绕X轴旋转角度定义为α，云台绕Y轴旋转角度定义为β，云台转序定义为先绕X轴旋转，再绕Y轴旋转；
安装在云台上的相机安装矩阵为单位阵，云台相机的像素大小为dP，云台相机的焦距为fS；
如图1所示，按照云台相机视场将目标区域划分为网格区域块，目标区域为120km*120km，云台相机视场的视场为40km*40km，则目标区域被划分为九个网格区域块；以距离云台相机最近的网格区域块为1号区域块，成“S”形进行扫描，依次为2号区域块、3号区域块、4号区域块、5号区域块、6号区域块、7号区域块、8号区域块、9号区域块；
该方法中云台相机首先指向1号区域块区域中心，若未发现空中动目标，云台相机依次指向2号区域块、3号区域块、...，如图4所示，由云台当前位置指向1号区域块中心的步骤如下：
第一步，根据卫星的姿态运动对云台指向进行补偿。
补偿卫星姿态运动后，卫星到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在卫星本体坐标系的向量用下式求解：
为卫星所在轨道坐标系到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在轨道坐标系的表示。
补偿矩阵CΔΦ，cmp为：
CΔΦ，cmp＝Cy(ΔΦbo，y)*Cx(ΔΦbo，x)*Cz(ΔΦbo，z)
其中，
上式中，ΔΦbo为卫星当前时刻相对轨道坐标系的姿态角补偿量，可由下式求解：
ΔΦbo＝[ΔΦbo,x,ΔΦbo，y，ΔΦbo，z]＝ΔtP*(ωbo，t+0.5*ΔtP*dωbo，t)；
其中，ΔtP为云台响应转角指令的延迟时间，ωbo，t为卫星在当前时刻的相对轨道坐标系的姿态角速度；dωbo，t为卫星第t-N*ΔT时刻到当前时刻相对轨道坐标系的平均角加速度，计算公式为：
ωbo，t-N*ΔT为卫星前N拍相对轨道坐标系的姿态角速度，ΔT为卫星姿态运动的控制周期。
第二步，计算云台指向网格区域块的指向目标角；
卫星到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在本体系的表示为那么卫星到某一个网格区域块的地理中心点的矢量在云台本体坐标系下描述为：
则云台指向目标角αac_cal和βac_cal可用下式求解：
α0和β0分别为云台处于零位时的角度值；
对以上求解得到的指向目标角αac_cal和βac_cal做限幅处理得到限幅后的指向目标角：
其中，αLim为云台绕X轴旋转角度的转动角度限幅αLim＝180°，βLim为云台绕Y轴旋转角度的转动角度限幅βLim＝75°，
第三步，对云台指向目标角进行平滑处理；
根据云台的最大转动角速度ωPαLim、ωPβLim和角加速度dωPαLim、dωPβLim，ωPαLim＝2.5°/s，ωPβLim＝2.5°/s，dωPαLim＝0.2°/s2，dωPβLim＝0.2°/s2，对云台指向目标角做平滑处理，给出云台转动的角速度和角加速度指令。
定义：
云台的控制周期为ΔTP，
上一周期处理得到的云台指令转角为αc_past和βc_past，
转角速度为ωαc_past和ωβc_past，
前周期平滑前后指令偏差为αc_p_e和βc_p_e,
未平滑指令的增量为αace和βace.
则X轴转角的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
αc＝αc_past+ΔTP*ωPα
得到的云台绕X轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
Y轴转角的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
βc＝βc_past+ΔTP*ωPβ
得到的云台绕Y轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
第四步，计算云台运动对星体的扰动力矩；
根据云台运动信息计算对星体的扰动力矩，云台控制在上一拍的角动量为HP_past，计算本拍的角动量HP。
X轴的角动量可由下式求解：
绕X轴旋转αc角度的旋转矩阵为：
云台X轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台X轴平滑后的角速度ωPα在卫星本体系下表示为：
X轴的角动量为：
Y轴的角动量可由下式求解：
先绕X轴旋转αc角度，再绕Y轴旋转βc角度的旋转矩阵为：
云台Y轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台Y轴平滑后的角速度ωPβ在卫星本体系下表示为：
Y轴的角动量为：
JX11、JY21、JY22为云台在卫星本体坐标系的惯量参数。
云台运动引起的角动量为：
HP＝HPX+HPY
那么云台运动引起的扰动力矩可由下式求解：
第五步，云台与星体姿态协同控制；
云台当前指向角测量值为αm和βm，云台控制的转动角速度指令可由下式求解：
并对上式做限幅处理，处理方式如下：
若否则，不处理。
若否则，不处理；
将第四步得到的扰动力矩对星体的姿态进行补偿，完成了云台与星体姿态的协同控制；
若在某一区域内发现空中动目标，则根据空中动目标在云台相机视场内成像坐标，修正云台指向指令，并完成对空中动目标的跟踪，在当前网格区域块内跟踪空中动目标并完成星体姿态协同控制的步骤如下：
第六步，捕获空中动目标后的云台指向目标角补偿及指向目标角；
空中动目标在云台相机成像本体坐标系下的输出为[xS yS]T，如图3所示，那么，云台指向目标角补偿量αcmp和βcmp可用下式求解：
云台指向目标角αac_pc和βac_pc可用下式求解：
αac_pc＝αac+αcmp，βac_pc＝βac+βcmp
第七步，对第六步得到的云台指向目标角进行平滑处理；
对云台指向目标角进行平滑处理使得空中动目标保持在云台相机视场中心。X轴转角αac_pc的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
αc_pc＝αc_past+ΔTP*ωPα-pc
得到的云台指向角、指向角速度、角加速度的轨迹，如图2所示；
Y轴转角βac_pc的平滑处理可用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
βc_pc＝βc_past+ΔTP*ωPβ_pc
得到的云台绕Y轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
第八步，计算云台运动对星体的扰动力矩；
根据云台运动信息计算对星体的扰动力矩，云台控制在上一拍的角动量为HP_past，计算本拍的角动量HP。
X轴的角动量可由下式求解：
绕X轴旋转αc_pc角度的旋转矩阵为：
云台X轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台X轴平滑后的角速度ωPα在卫星本体系下表示为：
X轴的角动量为：
Y轴的角动量可由下式求解：
先绕X轴旋转αc_pc角度，再绕Y轴旋转βc_pc角度的旋转矩阵为：
云台Y轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台Y轴平滑后的角速度ωPβ在卫星本体系下表示为：
Y轴的角动量为：
JX11、JY21、JY22为云台在卫星本体坐标系的惯量参数。
云台运动引起的扰动力矩计算可用下式求解：
云台运动引起的角动量为：
HP_pc＝HPX_pc+HPY_pc
那么云台运动引起的扰动力矩可由下式求解：
第九步，云台与星体姿态协同控制；
云台当前指向角测量值为αm和βm，云台控制的转动角速度指令可由下式求解：
并对上式做限幅处理，处理方式如下：
若否则，不处理。
若否则，不处理；
将第八步得到的扰动力矩对星体的姿态进行补偿，完成了云台与星体姿态的协同控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (22)

1.一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：云台相机在区域块内进行扫描未发现空中动目标，该方法的步骤如下：
第一步，根据卫星的姿态运动对云台指向进行补偿；
第二步，根据第一步补偿后的云台指向计算云台指向区域块的指向目标角；
第三步，对第二步中计算得到的云台指向区域块的指向目标角进行平滑处理；
第四步，计算云台运动对星体的扰动力矩；
第五步，根据第四步得到的扰动力矩对星体姿态进行补偿，完成云台指向与星体姿态的协同控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第一步中，根据卫星的姿态运动对云台指向进行补偿的补偿矩阵为：
CΔΦ,cmp＝Cy(ΔΦbo,y)*Cx(ΔΦbo,x)*Cz(ΔΦbo,z)
其中，
其中，[ΔΦbo,x,ΔΦbo,y,ΔΦbo,z]为卫星当前时刻相对轨道坐标系的姿态角补偿量，
[ΔΦbo,x,ΔΦbo,y,ΔΦbo,z]＝ΔtP*(ωbo,t+0.5*ΔtP*dωbo,t)；
其中，ΔtP为云台响应转角指令的延迟时间，ωbo,t为卫星在当前时刻的相对轨道坐标系的姿态角速度；dωbo,t为卫星第t-N*ΔT时刻到当前时刻相对轨道坐标系的平均角加速度，计算公式为：
ωbo,t-N*ΔT为卫星前N拍相对轨道坐标系的姿态角速度，ΔT为卫星姿态运动的控制周期。
3.根据权利要求1所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第二步中，云台指向区域块的指向目标角为：
α0和β0分别为云台处于零位时的角度值；
其中，
其中，为卫星到某一个区域块的地理中心点的矢量在本体系下的表示，为卫星到某一个区域块的地理中心点的矢量在云台本体坐标系下的表示。
4.根据权利要求3所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：对云台指向目标角αac_cal和βac_cal做限幅处理得到限幅后的指向目标角：
其中，αLim为云台绕X轴旋转角度的转动角度限幅αLim，βLim为云台绕Y 轴旋转角度的转动角度限幅βLim。
5.根据权利要求4所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：αLim＝180°，βLim＝75°。
6.根据权利要求1所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第三步中，对云台指向目标角进行平滑处理的方法为：根据云台的最大转动角速度ωPαLim、ωPβLim和角加速度dωPαLim、dωPβLim，对云台指向目标角做平滑处理，得到云台转动的角速度和角加速度指令。
7.根据权利要求6所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：
云台绕X轴转角的平滑处理用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：ΔTP为云台的控制周期；αc_past和βc_past为上一周期处理得到的云台指令转角；ωαc_past和ωβc_past为转角速度；αc_p_e和βc_p_e为前周期平滑前后指令偏差；αace和βace为未平滑指令的增量；
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度为：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度为：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
αc＝αc_past+ΔTP*ωPα
得到的云台绕X轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
Y轴转角的平滑处理用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度为：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到Y轴的当拍转角指令和转角速度为：
βc＝βc_past+ΔTP*ωPβ
得到的云台绕Y轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹。
8.根据权利要求1所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第四步中，云台运动对星体的扰动力矩为：
绕X轴旋转αc角度的旋转矩阵为：
云台X轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台X轴平滑后的角速度ωPα在卫星本体系下表示为：
X轴的角动量为：
先绕X轴旋转αc角度，再绕Y轴旋转βc角度的旋转矩阵为：
云台Y轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台Y轴平滑后的角速度ωPβ在卫星本体系下表示为：
Y轴的角动量为：
JX11、JY21、JY22为云台在卫星本体坐标系的惯量参数；
云台运动引起的角动量为：
HP＝HPX+HPY
云台运动引起的扰动力矩为：
HP_past为云台控制在上一拍的角动量，HP为本拍的角动量。
9.根据权利要求1所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第五步中，根据扰动力矩对星体姿态进行补偿的方法为：
云台当前指向角测量值为αm和βm，云台控制的转动角速度指令为：
并对上式做限幅处理，处理方式如下：
若否则，不处理；
若否则，不处理。
10.根据权利要求1所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的区域块是指：按照云台相机视场将目标区域划分为若干个区域块，云台相机在区域块内进行扫描时以距离云台相机最近的区域块开始成“S”形进行扫描。
11.一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：云台相机在区域块内进行扫描时发现空中动目标，该方法的步骤如下：
第一步，根据卫星的姿态运动对云台指向进行补偿；
第二步，根据第一步补偿后的云台指向计算云台指向区域块的指向目标角；
第三步，对第二步中计算得到的云台指向区域块的指向目标角进行平滑处理；
第四步，对第三步得到的云台指向目标角进行补偿；
第五步，对第四步得到的补偿后的云台指向目标角进行平滑处理；
第六步，计算云台运动对星体的扰动力矩；
第七步，根据第六步得到的扰动力矩对星体姿态进行补偿，完成云台指向与星体姿态的协同控制。
12.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第四步中，云台指向目标角的补偿量αcmp和βcmp为：
其中，[xS yS]T为空中动目标在云台相机成像本体坐标系下的输出；
补偿后的云台指向目标角αac_pc和βac_pc为：
αac_pc＝αac+αcmp，βac_pc＝βac+βcmp。
13.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第五步中，对云台指向目标角进行平滑处理的方法为：
X轴转角αac_pc的平滑处理为
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
αc_pc＝αc_past+ΔTP*ωPα_pc
得到的云台指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
Y轴转角βac_pc的平滑处理为：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到Y轴的当拍转角指令和转角速度为：
βc_Pc＝βc_past+ΔTP*ωPβ_pc
得到的云台绕Y轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹。
14.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第六步中，云台运动对星体的扰动力矩的确定方法为：
绕X轴旋转αc_pc角度的旋转矩阵为：
云台X轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台X轴平滑后的角速度ωPα在卫星本体系下表示为：
X轴的角动量为：
先绕X轴旋转αc_pc角度，再绕Y轴旋转βc_pc角度的旋转矩阵为：
云台Y轴坐标系到本体坐标系的旋转矩阵：
云台Y轴平滑后的角速度ωPβ在卫星本体系下表示为：
Y轴的角动量为：
JX11、JY21、JY22为云台在卫星本体坐标系的惯量参数；
云台运动引起的扰动力矩为：
云台运动引起的角动量为：
HP_pc＝HPX_pc+HPY_pc
云台运动引起的扰动力矩为：
15.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第七步中，对星体姿态进行补偿的方法为：
云台当前指向角测量值为αm和βm，云台控制的转动角速度指令为：
并对上式做限幅处理，处理方式如下：
若否则，不处理；
若否则，不处理。
16.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第一步中，根据卫星的姿态运动对云台指向进行补偿的补偿矩阵为：
CΔΦ,cmp＝Cy(ΔΦbo,y)*Cx(ΔΦbo,x)*Cz(ΔΦbo,z)
其中，
其中，[ΔΦbo,x,ΔΦbo,y,ΔΦbo,z]为卫星当前时刻相对轨道坐标系的姿态角补偿量，
[ΔΦbo,x,ΔΦbo,y,ΔΦbo,z]＝ΔtP*(ωbo,t+0.5*ΔtP*dωbo,t)；
其中，ΔtP为云台响应转角指令的延迟时间，ωbo,t为卫星在当前时刻的相对轨道坐标系的姿态角速度；dωbo,t为卫星第t-N*ΔT时刻到当前时刻相对轨道坐标系的平均角加速度，计算公式为：
ωbo,t-N*ΔT为卫星前N拍相对轨道坐标系的姿态角速度，ΔT为卫星姿态运动的控制周期。
17.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第二步中，云台指向区域块的指向目标角为：
α0和β0分别为云台处于零位时的角度值；
其中，
其中，为卫星到某一个区域块的地理中心点的矢量在本体系下的表示，为卫星到某一个区域块的地理中心点的矢量在云台本体坐标系下的表示。
18.根据权利要求17所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：对云台指向目标角αac_cal和βac_cal做限幅处理得到限幅后的指向目标角：
其中，αLim为云台绕X轴旋转角度的转动角度限幅αLim，βLim为云台绕Y轴旋转角度的转动角度限幅βLim。
19.根据权利要求18所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：αLim＝180°，βLim＝75°。
20.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的第三步中，对云台指向目标角进行平滑处理的方法为：根据云台的最大转动角速度ωPαLim、ωPβLim和角加速度dωPαLim、dωPβLim，对云台指向目标角做平滑处理，得到云台转动的角速度和角加速度指令。
21.根据权利要求20所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：
云台绕X轴转角的平滑处理用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：ΔTP为云台的控制周期；αc_past和βc_past为上一周期处理得到的云台指令转角；ωαc_past和ωβc_past为转角速度；αc_p_e和βc_p_e为前周期平滑前后指令偏差；αace和βace为未平滑指令的增量；
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度为：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度为：
否则，即
由以上结果，得到X轴的当拍转角指令和转角速度为：
αc＝αc_past+ΔTP*ωPα
得到的云台绕X轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹；
Y轴转角的平滑处理用下式求解：
上式中，KP为增益，表达式为：
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度为：
否则，即
对以上结果做限幅处理：
若那么平滑得到的角速度和角加速度用以下公式求解：
否则，即
由以上结果，得到Y轴的当拍转角指令和转角速度为：
βc＝βc_past+ΔTP*ωPβ
得到的云台绕Y轴指向角、指向角速度、角加速度的轨迹。
22.根据权利要求11所述的一种用于空中动目标跟踪的云台指向及星体姿态协同控制方法，其特征在于：所述的区域块是指：按照云台相机视场将目标区域划分为若干个区域块，云台相机在区域块内进行扫描时以距离云台相机最近的区域块开始成“S”形进行扫描。
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