CN110032203B - 一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法及系统 - Google Patents

一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法及系统，包括：获取目标点状态以及集群中各个卫星的实际姿态四元数、角速度、轨道状态；获取集群中各个卫星的期望姿态四元数与期望角速度；对于集群中每一颗卫星，获取其姿态四元数偏差信号与角速度偏差信号；对于集群中任意两颗卫星，结合两个姿态四元数偏差信号产生偏差姿态四元数的偏差信号，结合两个角速度偏差信号产生偏差角速度的偏差信号；生成集群中多颗卫星之间相互协同的控制力矩。通过不同卫星之间的偏差姿态四元数的偏差信号与偏差角速度的偏差信号生成多颗卫星之间相互协同的控制力矩，达到多卫星协同控制的效果。本发明应用于天基态势感知领域。

Description

一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法及系统
技术领域
本发明涉及天基态势感知领域，尤其涉及一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法及系统。
背景技术
天基目标成像作为一种天基态势感知技术，具有较大的科学、商业和军事应用价值。天基目标凝视是指，通过在空间轨道上运行的卫星快速姿态机动，使固连于星体的相机光轴在一段时间内始终指向某空间轨道运动目标，以拍摄照片或视频的方式对目标进行遥感。目标可以是地面固定点或运动物体，也可以是空间缓慢运动天体(行星、恒星等)或快速运动目标(如空间碎片、其他人造卫星等)。另外，航天器集群飞行、协同控制是未来航天任务发展的必然趋势。由多个航天器组成的集群共同协作完成同一个任务目标，可以大大增强系统的功能和性能，提高其在复杂空间环境下的鲁棒性和易维护性，实现航天任务的长寿命和低成本。
集群飞行的多个航天器共同完成单一目标的凝视，必须考虑多星间的姿态协同控制问题。已有文献和方法均假设所有航天器的期望姿态和角速度均为某一常量或某一共同时变量，没有涉及各航天器均有不同期望姿态和角速度的情况，无法有效的达到多卫星协同控制的效果。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法及系统。
其采用的技术方案是：
一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，包括以下步骤：
步骤1，获取当前时刻的目标点状态以及集群中各个卫星的实际姿态四元数、角速度、轨道状态；
步骤2，根据步骤1中的参数获取集群中各个卫星的期望姿态四元数与期望角速度；
步骤3，对于集群中每一颗卫星，结合其实际姿态四元数与期望姿态四元数产生姿态四元数偏差信号，结合其实际角速度与期望角速度产生角速度偏差信号；
步骤4，对于集群中任意两颗卫星，结合两个姿态四元数偏差信号产生偏差姿态四元数的偏差信号，结合两个角速度偏差信号产生偏差角速度的偏差信号；
步骤5，根据步骤4中的偏差姿态四元数的偏差信号与偏差角速度的偏差信号，生成集群中各颗卫星之间相互协同的控制力矩，并根据控制力矩对各个卫星进行姿态调控。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤1中：
所述目标点状态为XT＝[RT,VT]T，RT为空间目标在地心惯性系中的位置，VT为空间目标的地心惯性系速度；
所述姿态四元数由卫星体坐标系相对地心惯性系定义，记为
Figure BDA0002036284740000021
其中qis为标部，其余为矢部分量；
所述角速度由卫星体坐标系相对地心惯性系定义，记为ωi＝[ωix,ωiy,ωiz]T；
所述轨道状态为Xi＝[Ri,Vi]T，Ri为卫星的地心惯性系位置，Vi为卫星的地心惯性系速度；
其中，i表示第i颗卫星，i＝1,L,n，n为卫星总数。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤3中，
所述姿态四元数偏差信号为：
Figure BDA0002036284740000031
式中，
Figure BDA0002036284740000032
为第i颗卫星的偏差姿态四元数信号；
Figure BDA0002036284740000033
为第i颗卫星的期望姿态四元数；
所述角速度偏差信号为：
ωei＝ωi-ωri
式中，ωei为第i颗卫星的偏差角速度信号；ωri为第i颗卫星的期望角速度；ωi第i颗卫星的角速度。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤4中，所述偏差姿态四元数的偏差信号为：
Figure BDA0002036284740000034
式中，
Figure BDA0002036284740000035
为第i颗卫星与第j颗卫星之间偏差姿态四元数的偏差信号；
Figure BDA0002036284740000036
为第i颗卫星的姿态四元数偏差信号；
Figure BDA0002036284740000037
为第j颗卫星的姿态四元数偏差信号；i≤n、j≤n、i≠j。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤4中，所述偏差角速度的偏差信号的获取过程如下：
步骤41，计算集群中任意两颗卫星之间的相对姿态四元数：
Figure BDA0002036284740000038
式中，
Figure BDA0002036284740000039
为第i颗卫星与第j颗卫星之间的相对姿态四元数，
Figure BDA00020362847400000310
第i颗卫星的姿态四元数，
Figure BDA00020362847400000311
第j颗卫星的姿态四元数；
步骤42，根据相对姿态四元数
Figure BDA00020362847400000312
计算两颗卫星之间的转换矩阵
Figure BDA00020362847400000313
Figure BDA0002036284740000041
其中，
Figure BDA0002036284740000042
q0为标部；
步骤43，计算偏差角速度的偏差信号
Figure BDA0002036284740000043
Figure BDA0002036284740000044
式中，ωei为第i颗卫星的角速度偏差信号，ωej为第j颗卫星的角速度偏差信号。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤5中，所述集群中各颗卫星相互协同的控制力矩具体为：
Figure BDA0002036284740000045
Figure BDA0002036284740000046
Figure BDA0002036284740000047
式中，Lci为第i颗卫星在集群中所有与第i颗卫星存在通信的卫星协同下的控制力矩；J为卫星的转动惯量；l＝[l1,l2,l3]T，kp，cp，lk(k＝1,2,3)为正值标量系数；
Figure BDA0002036284740000048
为矢量饱和函数；aij为反映集群中卫星i和卫星j间信息交互的量。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤4中，若卫星i和卫星j间存在数据交互，则aij＝1/(n-1)，否则取为aij＝0。
一种集群多星单目标凝视姿态协同控制系统，包括处理器与存储器，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权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
本发明的有益技术效果：
本发明在对目标点的连续跟踪过程中，以卫星的期望姿态四元数与期望角速度结合测量得到的实际姿态四元数和实际角速度，产生姿态四元数偏差信号和角速度偏差信号，进而获得不同卫星之间的偏差姿态四元数的偏差信号与偏差角速度的偏差信号，最终生成多颗卫星之间相互协同的控制力矩，从而达到多卫星姿态协同的效果。
附图说明
图1是集群多星单目标凝视姿态协同控制方法的流程示意图；
图2是偏差角速度的偏差信号的获取流程示意图；
图3是各卫星目标指向偏差的控制效果示意图；
图4是集群多星单目标凝视姿态协同控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实时方式中该值可以相应地改变为合适的值。
如图1所示的一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，包括以下步骤：
101，获取当前时刻的目标点状态以及集群中各个卫星的实际姿态四元数、角速度、轨道状态；
102，获取集群中各个卫星的期望姿态四元数与期望角速度；
103，对于集群中每一颗卫星，结合其实际姿态四元数与期望姿态四元数产生姿态四元数偏差信号，结合其实际角速度与期望角速度产生角速度偏差信号；
104，对于集群中任意两颗卫星，结合两个姿态四元数偏差信号产生偏差姿态四元数的偏差信号，结合两个角速度偏差信号产生偏差角速度的偏差信号；
105，根据104中的偏差姿态四元数的偏差信号与偏差角速度的偏差信号，生成集群中多颗卫星之间相互协同的控制力矩，并根据控制力矩对各个卫星进行姿态调控，其中，多颗卫星之间相互协同的控制力矩即生成集群中任意一个卫星在集群中剩余的所有的能够与其通信的卫星的协同作用下的控制力矩。
本实施例在对目标点的连续跟踪过程中，以卫星的期望姿态四元数与期望角速度结合测量得到的实际姿态四元数和实际角速度，产生姿态四元数偏差信号和角速度偏差信号，进而获得不同卫星之间的偏差姿态四元数的偏差信号与偏差角速度的偏差信号，最终生成多颗卫星之间相互协同的控制力矩，从而达到多卫星姿态协同的效果。
在101中，目标点状态为XT＝[RT,VT]T，RT为空间目标在地心惯性系中的位置，VT为空间目标的地心惯性系速度；姿态四元数由卫星体坐标系相对地心惯性系定义，记为
Figure BDA0002036284740000061
其中qis为标部，其余为矢部分量；角速度由卫星体坐标系相对地心惯性系定义，记为ωi＝[ωix,ωiy,ωiz]T；轨道状态为Xi＝[Ri,Vi]T，Ri为卫星的地心惯性系位置，Vi为卫星的地心惯性系速度；其中，i表示第i颗卫星，i＝1,L,n，n为卫星总数。
本实施例中选取初始仿真时刻为2020年1月1日12时0分0秒(UTC)，设总共3颗卫星组成编队，其初始状态为：
Figure BDA0002036284740000062
Figure BDA0002036284740000071
在102中，根据目标点状态XT与各个卫星的实际姿态四元数
Figure BDA0002036284740000072
角速度ωi、轨道状态Xi求取各个卫星的期望姿态四元数
Figure BDA0002036284740000073
与期望角速度ωri。其中，各个卫星的期望姿态四元数与期望角速度即当目标点位于卫星相机视场中心位置时卫星的姿态四元数与角速度，本实施中采取专利CN 105116910 A或专利CN 106017456 A中所公开的方式求取各个卫星的期望姿态四元数
Figure BDA00020362847400000712
与期望角速度ωri。
在103中，所述姿态四元数偏差信号为：
Figure BDA0002036284740000074
式中，
Figure BDA0002036284740000075
为第i颗卫星的偏差姿态四元数信号；
Figure BDA0002036284740000076
为第i颗卫星的期望姿态四元数；
角速度偏差信号为：
ωei＝ωi-ωri
式中，ωei为第i颗卫星的偏差角速度信号；ωri为第i颗卫星的期望角速度；ωi第i颗卫星的角速度。
在104中，偏差姿态四元数的偏差信号为：
Figure BDA0002036284740000077
式中，
Figure BDA0002036284740000078
为第i颗卫星与第j颗卫星之间偏差姿态四元数的偏差信号；
Figure BDA0002036284740000079
为第i颗卫星的姿态四元数偏差信号；
Figure BDA00020362847400000710
为第j颗卫星的姿态四元数偏差信号；i≤n、j≤n、i≠j。
参考图2，在104中，偏差角速度的偏差信号的获取过程如下：
201，计算集群中任意两颗卫星之间的相对姿态四元数：
Figure BDA00020362847400000711
式中，
Figure BDA0002036284740000081
为第i颗卫星与第j颗卫星之间的相对姿态四元数，
Figure BDA0002036284740000082
第i颗卫星的姿态四元数，
Figure BDA0002036284740000083
第j颗卫星的姿态四元数；
202，根据相对姿态四元数
Figure BDA0002036284740000084
计算两颗卫星之间的转换矩阵
Figure BDA0002036284740000085
Figure BDA0002036284740000086
其中，
Figure BDA0002036284740000087
q0为标部，其余的为矢量部；
203，根据转换矩阵计算第i颗卫星与第j颗卫星之间的偏差角速度的偏差信号
Figure BDA0002036284740000088
Figure BDA0002036284740000089
式中，ωei为第i颗卫星的角速度偏差信号，ωej为第j颗卫星的角速度偏差信号。
在105中，集群中各卫星之间相互协同的控制力矩具体为：
Figure BDA00020362847400000810
Figure BDA00020362847400000811
Figure BDA00020362847400000812
式中，Lci为第i颗卫星在集群中所有与第i颗卫星存在通信的卫星协同下的控制力矩；J为卫星的转动惯量；l＝[l1,l2,l3]T，kp，cp，lk(k＝1,2,3)为正值标量系数；
Figure BDA00020362847400000813
为矢量饱和函数；aij为反映集群中卫星i和卫星j间信息交互的量，若卫星i和卫星j间存在数据交互，则aij＝1/(n-1)，否则取为aij＝0。对集群中各个卫星而言，其控制律的结构完全相同，均大致近似为比例-微分控制器，即自身四元数偏差、与其它卫星四元数和角速度偏差的偏差之和的饱和限幅(比例部分)，再加上自身角速度偏差(微分部分)。但与传统比例-微分控制器有两点显著不同：一是考虑了饱和限幅，二是引入了与集群中所有其它卫星的姿态偏差，相较于传统的控制率结构，本实施例中的控制律具有更高、更准确的控制效率。
本实施例中集群飞行的三颗卫星对目标凝视的指向偏差随时间变化的曲线如图3所示。由图3可得，三颗卫星的初始指向偏差分别为8.97°、101.9°、81.74°，本发明提供方法可使各卫星的指向偏差同步逐渐收敛到接近0°，充分证明了本发明提供方法的有效性。
如图4所示的一种集群多星单目标凝视姿态协同控制系统，包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，所述处理器执行上述方法的步骤，处理器具体包括：
数据获取模块401，用于获取当前时刻的目标点状态以及集群中各个卫星的实际姿态四元数、角速度、轨道状态；
期望姿态角生成模块402，与数据获取模块通信相连，用于根据当前时刻的目标点状态以及集群中各个卫星的实际姿态四元数、角速度、轨道状态计算各卫星的期望姿态四元数与期望角速度；
偏差信息生成模块403，与数据获取模块通信、期望姿态角生成模块通信相连，用于根据每个卫星的实际姿态四元数、角速度与期望姿态四元数与期望角速度计算每个卫星的姿态四元数偏差信号与角速度偏差信号；
偏差信号生成模块404，与偏差信息生成模块通信相连，用于计算集群中所有两个卫星组合之间的偏差姿态四元数的偏差信号与偏差角速度的偏差信号；
控制律生成模块405，与偏差信号生成模块模块，用于计算集群中多颗卫星之间相互协同的控制力矩并输出。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (7)

1.一种集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取当前时刻的目标点状态以及集群中各个卫星的实际姿态四元数、角速度、轨道状态；
步骤2，根据步骤1中的参数获取集群中各个卫星的期望姿态四元数与期望角速度；
步骤3，对于集群中每一颗卫星，结合其实际姿态四元数与期望姿态四元数产生姿态四元数偏差信号，结合其实际角速度与期望角速度产生角速度偏差信号；
步骤4，对于集群中任意两颗卫星，结合两个姿态四元数偏差信号产生偏差姿态四元数的偏差信号，结合两个角速度偏差信号产生偏差角速度的偏差信号；
步骤5，根据步骤4中的偏差姿态四元数的偏差信号与偏差角速度的偏差信号，生成集群中多颗卫星之间相互协同的控制力矩，并根据控制力矩对各个卫星进行姿态调控；多颗卫星之间相互协同的控制力矩即生成集群中任意一个卫星在集群中剩余的所有的能够与其通信的卫星的协同作用下的控制力矩；
步骤5中，所述集群中各颗卫星之间相互协同的控制力矩具体为：
Figure FDA0003602415460000011
Figure FDA0003602415460000012
Figure FDA0003602415460000021
式中，Lci为第i颗卫星在集群中所有与第i颗卫星存在通信的卫星协同下的控制力矩；J为卫星的转动惯量；l＝[l1,l2,l3]T，kp，cp，lk，k＝1,2,3为正值标量系数；
Figure FDA0003602415460000022
为矢量饱和函数；aij为反映集群中卫星i和卫星j间信息交互的量；
Figure FDA0003602415460000023
为第i颗卫星的偏差姿态四元数信号；
Figure FDA0003602415460000024
为第i颗卫星与第j颗卫星之间偏差姿态四元数的偏差信号，
Figure FDA0003602415460000025
为偏差角速度的偏差信号，ωei为第i颗卫星的偏差角速度信号。
2.根据权利要求1所述集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，其特征在于，步骤1中：
所述目标点状态为XT＝[RT,VT]T，RT为空间目标在地心惯性系中的位置，VT为空间目标的地心惯性系速度；
所述姿态四元数由卫星体坐标系相对地心惯性系定义，记为
Figure FDA0003602415460000026
其中，qis为标部，其余为矢部分量；
所述角速度由卫星体坐标系相对地心惯性系定义，记为ωi＝[ωix,ωiy,ωiz]T；
所述轨道状态为Xi＝[Ri,Vi]T，Ri为卫星的地心惯性系位置，Vi为卫星的地心惯性系速度；
其中，i表示第i颗卫星，i＝1,…,n，n为卫星总数。
3.根据权利要求1所述集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，其特征在于，步骤3中，
所述姿态四元数偏差信号为：
Figure FDA0003602415460000027
式中，
Figure FDA0003602415460000028
为第i颗卫星的偏差姿态四元数信号；
Figure FDA0003602415460000029
为第i颗卫星的期望姿态四元数；
所述角速度偏差信号为：
ωei＝ωi-ωri
式中，ωei为第i颗卫星的偏差角速度信号；ωri为第i颗卫星的期望角速度；ωi第i颗卫星的角速度。
4.根据权利要求2或3所述集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，其特征在于，步骤4中，所述偏差姿态四元数的偏差信号为：
Figure FDA0003602415460000031
式中，
Figure FDA0003602415460000032
为第i颗卫星与第j颗卫星之间偏差姿态四元数的偏差信号；
Figure FDA0003602415460000033
为第i颗卫星的姿态四元数偏差信号；
Figure FDA0003602415460000034
为第j颗卫星的姿态四元数偏差信号；i≤n、j≤n、i≠j。
5.根据权利要求4所述集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，其特征在于，步骤4中，所述偏差角速度的偏差信号的获取过程如下：
步骤41，计算集群中任意两颗卫星之间的相对姿态四元数：
Figure FDA0003602415460000035
式中，
Figure FDA0003602415460000036
为第i颗卫星与第j颗卫星之间的相对姿态四元数，
Figure FDA0003602415460000037
第i颗卫星的姿态四元数，
Figure FDA0003602415460000038
第j颗卫星的姿态四元数；
步骤42，根据相对姿态四元数
Figure FDA0003602415460000039
计算两颗卫星之间的转换矩阵
Figure FDA00036024154600000310
Figure FDA00036024154600000311
其中，
Figure FDA00036024154600000312
q0为标部，其余的为矢量部；
步骤43，计算偏差角速度的偏差信号
Figure FDA00036024154600000313
Figure FDA00036024154600000314
式中，ωei为第i颗卫星的角速度偏差信号，ωej为第j颗卫星的角速度偏差信号。
6.根据权利要求5所述集群多星单目标凝视姿态协同控制方法，其特征在于，步骤4中，若卫星i和卫星j间存在数据交互，则aij＝1/(n-1)，否则取为aij＝0。
7.一种集群多星单目标凝视姿态协同控制系统，包括处理器与存储器，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至6中任一项所述方法的步骤。
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CN105116910A (zh) * 2015-09-21 2015-12-02 中国人民解放军国防科学技术大学 一种对地面点凝视成像的卫星姿态控制方法
CN106054910A (zh) * 2016-07-07 2016-10-26 中国人民解放军国防科学技术大学 视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (1)

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Title
视频卫星对地凝视成像姿态调整技术研究;付凯林 等;《航天器工程》;20170430;第26卷(第2期);第53-60页 *

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