CN111319793B - 敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法，其包括如下步骤：根据卫星到目标矢量的空间分布确定空间基准矢量，建立卫星目标坐标系，求取参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数，求取载荷指向目标的姿态四元数，作为卫星姿态控制的姿态基准。与现有技术相比，本发明给出了姿态基准的通用设计方法，利用该方法可以得到适用于多载荷、多目标指向任务的控制姿态基准，设计算法简单、程序流程分支少、测试容易、且通用性强。

Description

敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法

技术领域

本发明涉及敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法，属于卫星姿态控制技术领域。

背景技术

随着航天任务的多样化，对卫星姿态控制系统的快速机动能力及多任务的适应性均提出了更高要求，具备快速机动能力的卫星称为敏捷卫星。对于敏捷卫星，在不同的任务中，需要通过卫星本体姿态机动使其载荷按要求指向不同的目标，常规卫星的姿态控制任务一般是对单一或者至多两三个目标的指向控制，按照各载荷的安装方式和其目标的空间位置建立各自的姿态控制基准即可。对于多目标指向任务的敏捷卫星，不仅需在不同工况指向多个目标，还可能要求安装在星体不同方向的载荷指向同一目标，因此姿态控制模式复杂度快速增加。例如某卫星型号需要设计如下多种姿态控制模式：帆板受照面需指向太阳；地面观测载荷需在任意指定的偏置姿态下飞行；安装在非主轴的某载荷需凝视高轨星、安装在飞行方向的某载荷也需凝视高轨星；安装在对地面的数传天线需凝视地面站、安装在飞行方向的数传天线也需指向地面站；安装在飞行方向的载荷需指向低轨目标星、安装飞行反方向的载荷也需指向低轨目标星等。若应用常规卫星的传统设计方法需要建立多个姿态控制基准，当载荷和目标的数量较多后，姿态基准设计算法快速增加，导致最后实现的程序流程分支较多、测试复杂、且通用性差。因此有必要研究姿态基准的通用设计方法，从而能够获得一个适用于多目标指向任务，设计算法简单、程序流程分支少、测试容易、且通用性强的控制姿态基准。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种敏捷卫星多种工作模式多种目标指向的姿态基准通用设计方法，能够实现对多种目标指向任务建立统一的姿态基准，设计算法简单、程序流程分支少、测试容易、且通用性强。

本发明的技术解决方案是：

敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法，包括如下步骤：

(1)根据卫星到目标矢量的空间分布确定空间基准矢量；

(2)建立卫星目标坐标系，求取参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数；

(3)求取载荷指向目标的姿态四元数，作为卫星姿态控制的姿态基准。

所述步骤(1)中，空间基准矢量的确定方式为：

1)根据两矢量尽量正交的原则确定一个空间基准矢量，要求该空间基准矢量与卫星到目标的所有矢量的夹角均在90±70度范围内；

2)若找不到一个完全满足步骤1)要求的空间基准矢量，则按下述方法确定空间基准矢量：

确定空间基准矢量1，使其与尽可能多的卫星到目标的矢量夹角在90±70度范围内；

对于与空间基准矢量1夹角不在90±70度范围内的卫星到目标的矢量，确定1个与空间基准矢量1互相垂直的空间基准矢量2。

所述步骤(2)中，卫星目标坐标系的建立方式为：

根据在参考坐标系中表示的卫星到目标的矢量和在参考坐标系中表示的空间基准矢量，由于两矢量不平行，则通过右手定则可以确定出一个坐标系，该坐标系即为卫星目标坐标系。

当卫星本体坐标系与卫星目标坐标系重合时，卫星本体的某一轴指向目标，所述卫星本体的某一轴通常选择卫星本体坐标系的偏航轴。

所述步骤(3)中，载荷指向目标的姿态四元数的计算方式为：

运用四元数乘法法则，参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数与载荷相对卫星本体安装四元数的逆的乘积，得到载荷指向目标的姿态四元数。

在获得卫星姿态控制的姿态基准后，通过控制卫星本体使卫星本体坐标系相对于参考坐标系的姿态四元数与卫星姿态控制的姿态基准一致，即可实现载荷指向目标的任务需求。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明提出了一种敏捷卫星多种工作模式多种目标指向的姿态基准通用设计方法，能够在不增加卫星姿态控制模式的情况下，实现对多种目标指向任务建立统一的姿态基准，用于姿态控制，实现安装在卫星任意方向的有效载荷指向高轨、低轨、地面站等多种目标，相比现有技术具有设计算法简单、程序流程分支少、测试容易、且通用性强。

附图说明

图1为卫星姿态控制系统多目标指向任务示意图；

图2为卫星某载荷指向高轨中继星对应的姿态基准坐标系；

图3为卫星某载荷指向地面站对应的姿态基准坐标系；

图4为卫星某载荷指向低轨目标星对应的姿态基准坐标系。

具体实施方式

本发明的敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法，适用于敏捷性要求高、工作模式多样化的卫星姿态控制系统的多目标指向任务的姿态基准设计方法。其包括如下步骤：

1.根据卫星到目标矢量的空间分布确定空间基准矢量

由卫星位置、目标点位置可得卫星到目标的矢量，对于多个目标，这样的矢量也为多个，根据两矢量尽量正交的原则确定一个空间基准矢量，要求该矢量与卫星到目标的所有矢量的夹角均在90±70度(可适应性取值)范围内。

若找不到一个完全满足上述要求的空间基准矢量，先确定一个与卫星到目标的多个矢量的夹角在90±70度(可适应性取值)范围内的空间基准矢量，将其称为空间基准矢量1。

对于与空间基准矢量1夹角不在90±70度范围内的卫星到目标的矢量，再确定1个与空间基准矢量1互相垂直的空间基准矢量，将其称为空间基准矢量2。这样就确定了两个互相垂直的空间基准矢量。

2.建立卫星目标坐标系，求取参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数

已知在参考坐标系中表示的卫星到目标的矢量和在参考坐标系中表示的空间基准矢量，且两矢量不平行，通过右手定则可以确定出一个坐标系，当卫星本体坐标与其重合时，卫星本体的某一轴(通常选择卫星本体坐标系的偏航轴)指向目标，将确定出的坐标系称为卫星目标坐标系，进而可以求出卫星目标坐标系相对于参考坐标系的姿态四元数。

3.求取载荷指向目标的姿态四元数，作为卫星姿态控制的姿态基准。

载荷相对卫星本体的安装四元数为已知量，参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数为求出量，运用四元数乘法法则，参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数乘以载荷相对卫星本体安装四元数的逆，得到载荷指向目标的姿态四元数。

下面以一个具体的实施例对本发明方法作进一步详细阐述。该实施例以J2000.0惯性坐标系为参考坐标系。该实施例中，卫星姿态控制系统具备多目标指向任务，其中图1为卫星姿态控制系统多目标指向任务示意图。

实施例：

1.由给定的J2000.0惯性坐标系的目标位置确定空间基准矢量。

对于地面目标矢量，空间物理关系决定卫星轨道面的法线(轨道坐标系的俯仰轴Y_o)不会与之接近平行(夹角范围不在90±70度)；对于多个空间目标的位置进行分析，若空间目标没有位于卫星轨道面法线的±20度圆椎体内的，则可以确定卫星轨道面法线为空间基准矢量，这个空间矢量适用于为所有目标点建立姿态基准；若多个空间目标部分位于卫星轨道面法线的±20度圆椎体内，需再确定一个与轨道面法线垂直的矢量，如卫星轨道的飞行方向(轨道坐标系的滚动轴X_o)。由此确定出满足要求的空间基准矢量X_o和Y_o。其在J2000.0惯性坐标系中表示为

Y_o＝A_io[0 1 0]^T (1)

X_o＝A_io[1 0 0]^T (2)

式中A_io为卫星轨道坐标系到J2000.0惯性坐标系的姿态转换矩阵。Y_o为卫星轨道面法线单位矢量，X_o为卫星飞行方向单位矢量。

2.由卫星到目标的矢量、空间基准矢量，计算J2000.0惯性坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数

(1)卫星至目标的位置矢量

已知卫星位置矢量、空间目标或地面目标位置矢量，可得卫星至目标的位置矢量

R_sp＝R_ep-R_es (3)

R_sp——卫星至目标的位置矢量在J2000.0惯性坐标系下的表示

R_ep——目标的位置矢量在J2000.0惯性坐标系下的表示

R_es——卫星的位置矢量在J2000.0惯性坐标系下的表示

(2)计算J2000惯性坐标系到卫星目标坐标系的四元数

将卫星指向目标的方向定义为卫星目标坐标系的偏航轴(Z_r)，卫星目标坐标系偏航轴单位矢量在惯性坐标系下的表示Z_r为

如果，Y_o×Z_r≥sin(20o)，即卫星轨道坐标系的俯仰轴Y_o与卫星目标坐标系的偏航轴Z_r的夹角在90±70度范围内，有

否则，有

J2000惯性系至卫星目标坐标系的姿态转换矩阵为

A_{ro_ant}＝[X_r Y_r Z_r]^T (9)

X_r为卫星目标坐标系的滚动轴单位矢量在惯性坐标系的表示，Y_r为卫星目标坐标系的俯仰轴单位矢量在惯性坐标系的表示。

将姿态转换矩阵A_{ro_ant}变换为姿态四元数q_{or_ant}，姿态四元数q_{or_ant}即为J2000惯性系到卫星目标坐标系的姿态四元数。

3.由载荷安装四元数和J2000惯性系到卫星目标坐标系的姿态四元数得到载荷指向目标的姿态基准四元数

已知载荷相对卫星本体的安装四元数为q_b2ant，和已经求得的J2000惯性系到卫星目标坐标系的姿态四元数，得到载荷指向目标的姿态基准四元数q_or。

通过控制卫星本体使卫星本体坐标系相对于J2000惯性系的姿态四元数与载荷指向目标的姿态基准四元数一致，就实现了载荷指向目标的任务需求。

4.对载荷指向目标的姿态基准四元数进行微分处理，得到载荷指向目标的姿态基准角速度

已知前后两拍的载荷指向目标的姿态基准四元数q_{or_k-1}和q_{or_k}，根据四元数运动学方程，得到当前控制周期载荷指向目标的姿态基准角速度ω_{or_k}。

其中T为卫星姿态控制周期；

其中

为前一控制周期解算的载荷指向目标姿态基准四元数的逆。

载荷指向目标的姿态基准角速度用于快速姿态机动控制，结合卫星当前实际角速度，可作为PD控制器的输入。

图2为本实施例中卫星某载荷指向高轨中继星对应的姿态基准坐标系，图3为本实施例中卫星某载荷指向地面站对应的姿态基准坐标系，图4为本实施例中卫星某载荷指向低轨目标星对应的姿态基准坐标系。

本发明提出了一种敏捷卫星多种工作模式多种目标指向的姿态基准通用设计方法，能够实现对多种目标指向任务建立统一的姿态基准，用于姿态控制，设计算法简单、程序流程分支少、测试容易、且通用性强。

Claims (3)

1.敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据卫星到目标矢量的空间分布确定空间基准矢量；

空间基准矢量的确定方式为：

1)根据两矢量尽量正交的原则确定一个空间基准矢量，要求该空间基准矢量与卫星到目标的所有矢量的夹角均在90±70度范围内；

2)若找不到一个完全满足步骤1)要求的空间基准矢量，则按下述方法确定空间基准矢量：

确定空间基准矢量1，使其与尽可能多的卫星到目标的矢量夹角在90±70度范围内；

对于与空间基准矢量1夹角不在90±70度范围内的卫星到目标的矢量，确定1个与空间基准矢量1互相垂直的空间基准矢量2；

(2)建立卫星目标坐标系，求取参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数；

(3)求取载荷指向目标的姿态四元数，作为卫星姿态控制的姿态基准；

载荷指向目标的姿态四元数的计算方式为：

运用四元数乘法法则，参考坐标系到卫星目标坐标系的姿态四元数与载荷相对卫星本体安装四元数的逆的乘积，得到载荷指向目标的姿态四元数；

在获得卫星姿态控制的姿态基准后，通过控制卫星本体使卫星本体坐标系相对于参考坐标系的姿态四元数与卫星姿态控制的姿态基准一致，即可实现载荷指向目标的任务需求。

2.根据权利要求1所述的敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，卫星目标坐标系的建立方式为：

根据在参考坐标系中表示的卫星到目标的矢量和在参考坐标系中表示的空间基准矢量，由于两矢量不平行，则通过右手定则可以确定出一个坐标系，该坐标系即为卫星目标坐标系。

3.根据权利要求2所述的敏捷卫星多种工作模式姿态基准通用设计方法，其特征在于：当卫星本体坐标系与卫星目标坐标系重合时，卫星本体的某一轴指向目标，所述卫星本体的某一轴通常选择卫星本体坐标系的偏航轴。

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