CN113212803A - 一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法 - Google Patents

Abstract

一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，通过紧密结合梯形角速度规划的特点，将推力器用作前馈控制，将动量轮用作反馈控制，并根据不同的跟踪阶段设计不同的反馈目标，实施反馈输入动态切换以发挥最大效能，解决了传统控制方法难以发挥系统的最大效能，不适于需要连续执行动态跟踪与定点成像任务场合的问题，可实现姿态机动和姿态控制的快速平稳切换，有效保证连续执行动态跟踪与定点成像任务过程中的控制需求。

Description

一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法

技术领域

本发明涉及一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，属于空间飞行器控制领域。

背景技术

在相机成像、目标跟踪、天线标校等场合往往需要卫星平台进行快速姿态机动。进行姿态机动的执行机构主要有2种：喷气推力器和角动量交换装置(以动量轮为典型代表)。这两种执行机构各有利弊。喷气推力器的控制力矩大，但需要消耗燃料工质；动量轮不需要消耗燃料，但控制力矩较小。目前，对于动态跟踪和机动后定点成像这两种不同任务，通常采用分别考虑、分别设计的方法。对于动态跟踪，由于需要保持很高的角速度平稳性，只能采用动量轮控制；对于机动后定点成像，则多是先利用推力器喷气控制，将姿态快速机动到位，等待姿态平稳后，再用动量轮进行稳定控制。这种分开考虑的做法在工程实现上是比较简单的，但并不能发挥系统的最大效能，尤其不适于需要连续执行动态跟踪与定点成像的任务场合。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，当前控制方式难以发挥卫星控制的最大效能的问题，提出了一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，步骤如下：

(1)按照卫星三轴解耦控制策略，根据给定的卫星动态跟踪起点姿态、目标姿态，分别规划出卫星三轴各自的梯形目标姿态、角速度曲线；所述梯形目标姿态、角速度曲线包括上升阶段、稳定阶段、下降阶段；

(2)根据上升阶段、下降阶段的目标姿态、角速度、推力器控制力矩参数信息，计算上升阶段、下降阶段内推力器喷气作用时长Δt_thr；

(3)于上升阶段开始时刻，采用角速度跟踪控制作为反馈控制律，利用动量轮反馈+喷气前馈进行姿态控制，实现对上升阶段内卫星的姿态跟踪控制；

(4)于上升阶段结束后，进入平稳阶段，停止喷气，利用动量轮进行姿态反馈控制，实现对平稳阶段内卫星的姿态跟踪控制；

(5)于平稳阶段姿态跟踪控制过程结束后，下降阶段姿态跟踪控制开始时刻，启动反向喷气前馈控制，进入卫星减速阶段；

(6)于卫星减速喷气过程中，通过角速度跟踪控制作为反馈控制律，利用动量轮反馈与喷气前馈进行姿态控制，实现对下降阶段卫星的姿态跟踪控制；

(7)于目标减速喷气过程结束后，进入定点成像任务阶段，将反馈控制律切换为姿态及角速度双回路调节控制以保证姿态指向精度及姿态稳定度，完成定点成像任务前的反馈控制。

所述步骤(1)中，对于卫星任意轴，梯形目标角速度曲线具体为：

(1-1)当t∈[0,T_a)，为角速度上升段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，

为卫星可以达到的最大角加速度，为常值设计参数，T_a为加速至最大角速度ω_max时对应的时刻，为常值设计参数；

(1-2)当t∈[T_a,T_v)，为角速度稳定段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，T_v为角速度上升段和稳定段的总时长；

(1-3)当t∈[T_v,T_d)，为角速度下降段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，T_d为角速度减速到0的时刻。

所述步骤(2)中，推力器喷气作用时长Δt_thr的计算公式如下：

式中，J为卫星被控轴的转动惯量，M为该轴喷气控制力矩，喷气控制在整个上升阶段、下降阶段内均匀喷气。

所述步骤(3)中，梯形目标角速度上升阶段，利用动量轮反馈及喷气前馈进行姿态控制，以跟踪目标角速度ω_r(t)为参考输入量，采用角速度跟踪控制作为反馈控制量，通过高增益控制压缩跟踪目标喷气结束后的动态过程。

所述步骤(4)中，跟踪目标到达指定跟踪点后，停止喷气，利用动量轮进行姿态反馈控制，以跟踪目标稳态角速度ω_max为参考输入量，采用角速度调节控制作为反馈控制量，通过中低增益控制提升跟踪目标成像跟踪时的角速度平稳性。

所述步骤(5)中，卫星减速阶段中，喷气时长与上升段推力器喷气作用时长Δt_thr相同。

所述步骤(6)中，于梯形目标角速度下降阶段，利用动量轮反馈及喷气前馈进行姿态控制，以跟踪目标角速度ω_r(t)为参考输入量，采用角速度跟踪控制作为反馈控制量，通过高增益控制压缩跟踪目标喷气结束后的动态过程。

所述步骤(7)中，于目标减速喷气过程结束后，进入定点成像任务阶段，将反馈控制律切换为姿态及角速度双回路调节控制，通过中低增益控制提升姿态的平稳性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，紧密结合梯形角速度规划的特点，将推力器用作前馈控制，将动量轮用作反馈控制，并根据不同的跟踪阶段设计不同的反馈目标，实施反馈输入动态切换，从而充分发挥了系统的最大效能，既可动态跟踪，又可定点成像，同时在平稳跟踪阶段，保障角速度尽可能平稳；在定点成像阶段，保障姿态角和角速度尽可能接近零，克服了快速机动与姿态平稳控制的矛盾；

(2)本发明采用动态跟踪与定点成像的统筹规划、联合控制，有效保证连续执行动态跟踪与定点成像任务过程中的控制需求，可实现姿态机动和姿态控制的快速平稳切换，可有效适应适于需要连续执行动态跟踪与定点成像的任务场合。

附图说明

图1为发明提供的兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法流程图；

图2为发明提供的梯形目标角速度曲线控制过程时序原理图；

图3为发明提供的梯形目标角速度规划曲线分段示意图；

具体实施方式

一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，针对传统控制方法难以发挥系统的最大效能，不适于需要连续执行动态跟踪与定点成像的任务场合的问题，通过紧密结合梯形角速度规划的特点，将推力器用作前馈控制，将动量轮用作反馈控制，并根据不同的跟踪阶段设计不同的反馈目标，实施反馈输入动态切换以发挥最大效能，具体方法步骤如下：

(1)按照卫星三轴解耦控制的策略，根据给定的卫星动态跟踪起点姿态、目标姿态，分别规划出三轴各自的目标姿态、角速度曲线；所述梯形目标姿态、角速度曲线包括上升阶段、稳定阶段、下降阶段；

其中，梯形目标角速度曲线具体为：

(1-1)当t∈[0,T_a)，为角速度上升段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，

为卫星可以达到的最大角加速度，为常值设计参数，T_a为加速至最大角速度ω_max时对应的时刻，为常值设计参数；

(1-2)当t∈[T_a,T_v)，为角速度稳定段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，T_v为角速度上升段和稳定段的总时长；

(1-3)当t∈[T_v,T_d)，为角速度下降段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，T_d为角速度减速到0的时刻；

(2)根据上升阶段、下降阶段的目标姿态、角速度、推力器控制力矩参数信息，计算上升阶段、下降阶段内推力器喷气作用时长Δt_thr；

其中，推力器喷气作用时长Δt_thr的计算公式如下：

式中，J为卫星被控轴的转动惯量，M为该轴喷气控制力矩，喷气控制在整个上升阶段、下降阶段均匀喷气；

(3)于上升阶段开始时刻，采用角速度跟踪控制作为反馈控制律，利用动量轮反馈+喷气前馈进行姿态控制，实现对上升阶段内卫星的姿态跟踪控制；

(4)于上升阶段结束后，进入平稳阶段，停止喷气，利用动量轮进行姿态反馈控制，实现对平稳阶段内卫星的姿态跟踪控制；

(5)于平稳阶段姿态跟踪控制过程结束后，下降阶段姿态跟踪控制开始时刻，启动反向喷气前馈控制，进入卫星减速阶段；

(6)于卫星减速喷气过程中，通过角速度跟踪控制作为反馈控制律，利用动量轮反馈+喷气前馈进行姿态控制，实现对下降阶段卫星的姿态跟踪控制；

(7)于目标减速喷气过程结束后，进入定点成像任务阶段，将反馈控制律切换为姿态及角速度双回路调节控制以保证姿态指向精度及姿态稳定度，完成定点成像任务前的反馈控制。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

本实施例中，兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，具体实现原理如图1所示。以某通信卫星X轴大角度机动为例，其X轴转动惯量J_x＝80000kgm²，

ω_max＝0.5°/s，X轴喷气控制力矩M_x＝30Nm，具体实施过程如下：

(1)假设卫星X轴机动90度，根据给定的动态跟踪起始点及目标角速度，规划出梯形目标角速度规划曲线如图2、图3所示。根据前问公式计算可知T_a＝50s，T_v＝180s，T_d＝230s，卫星230秒完成姿态机动；

(2)根据目标角速度、推力器控制力矩等信息，计算出推力器喷气作用时长Δt_thr，将该时段内的喷气控制作为前馈控制量送入控制律中，Δt_thr应该在整个上升阶段、下降阶段均匀喷气，上升阶段与下降阶段均采用相同的喷气时长；

(3)于上升阶段开始时刻(0秒)，采用角速度跟踪控制作为反馈控制律，利用动量轮反馈+喷气前馈进行姿态控制，实现对上升阶段内卫星的姿态跟踪控制；

在角速度上升阶段(0-50秒)，反馈控制律采用角速度跟踪控制。反馈控制的参考输入为目标角速度ω_r(t)＝0.01t(°/s)。采用高增益控制，控制目标是尽量压缩喷气结束后的动态过程；

(4)到达指定跟踪点后，进入平稳阶段，反馈控制律采用角速度调节控制。反馈控制的参考输入为稳态角速度ω_max＝0.5°/s。采用中低增益控制，控制目标是尽量提升成像跟踪中的角速度平稳性；

(5)平稳阶段姿态跟踪控制过程结束后，于下降阶段姿态跟踪控制开始时刻，启动反向喷气前馈控制，进入卫星减速阶段，喷气时长和上升阶段相同，即Δt_thr＝23.27s；

(6)在减速喷气阶段，动量轮反馈控制切换为角速度跟踪控制。反馈控制的参考输入为目标角速度ω_r(t)＝0.5-0.01(t-180)(°/s)；

(7)减速阶段结束、进入定点成像阶段，动量轮反馈控制再次切换为角度、角速度双回路调节控制。控制目标是同时保证较高的姿态指向精度和姿态稳定度。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于步骤如下：

(1)按照卫星三轴解耦控制策略，根据给定的卫星动态跟踪起点姿态、目标姿态，分别规划出卫星三轴各自的梯形目标姿态、角速度曲线；所述梯形目标姿态、角速度曲线包括上升阶段、稳定阶段、下降阶段；

(2)根据上升阶段、下降阶段的目标姿态、角速度、推力器控制力矩参数信息，计算上升阶段、下降阶段内推力器喷气作用时长Δt_thr；

(3)于上升阶段开始时刻，采用角速度跟踪控制作为反馈控制律，利用动量轮反馈+喷气前馈进行姿态控制，实现对上升阶段内卫星的姿态跟踪控制；

(4)于上升阶段结束后，进入平稳阶段，停止喷气，利用动量轮进行姿态反馈控制，实现对平稳阶段内卫星的姿态跟踪控制；

(5)于平稳阶段姿态跟踪控制过程结束后，下降阶段姿态跟踪控制开始时刻，启动反向喷气前馈控制，进入卫星减速阶段；

(6)于卫星减速喷气过程中，通过角速度跟踪控制作为反馈控制律，利用动量轮反馈与喷气前馈进行姿态控制，实现对下降阶段卫星的姿态跟踪控制；

(7)于目标减速喷气过程结束后，进入定点成像任务阶段，将反馈控制律切换为姿态及角速度双回路调节控制以保证姿态指向精度及姿态稳定度，完成定点成像任务前的反馈控制。

2.根据权利要求1所述的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，对于卫星任意轴，梯形目标角速度曲线具体为：

(1-1)当t∈[0,T_a)，为角速度上升段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，

为卫星可以达到的最大角加速度，为常值设计参数，T_a为加速至最大角速度ω_max时对应的时刻，为常值设计参数；

(1-2)当t∈[T_a,T_v)，为角速度稳定段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，T_v为角速度上升段和稳定段的总时长；

(1-3)当t∈[T_v,T_d)，为角速度下降段，卫星姿态角θ，姿态角速度

姿态角加速度

关系式如下：

式中，T_d为角速度减速到0的时刻。

3.根据权利要求1所述的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，推力器喷气作用时长Δt_thr的计算公式如下：

式中，J为卫星被控轴的转动惯量，M为该轴喷气控制力矩，喷气控制在整个上升阶段、下降阶段内均匀喷气。

4.根据权利要求1所述的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，梯形目标角速度上升阶段，利用动量轮反馈及喷气前馈进行姿态控制，以跟踪目标角速度ω_r(t)为参考输入量，采用角速度跟踪控制作为反馈控制量，通过高增益控制压缩跟踪目标喷气结束后的动态过程。

5.根据权利要求1所述的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，跟踪目标到达指定跟踪点后，停止喷气，利用动量轮进行姿态反馈控制，以跟踪目标稳态角速度ω_max为参考输入量，采用角速度调节控制作为反馈控制量，通过中低增益控制提升跟踪目标成像跟踪时的角速度平稳性。

6.根据权利要求1所述的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于：

所述步骤(5)中，卫星减速阶段中，喷气时长与上升段推力器喷气作用时长Δt_thr相同。

7.根据权利要求1所述的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于：

所述步骤(6)中，于梯形目标角速度下降阶段，利用动量轮反馈及喷气前馈进行姿态控制，以跟踪目标角速度ω_r(t)为参考输入量，采用角速度跟踪控制作为反馈控制量，通过高增益控制压缩跟踪目标喷气结束后的动态过程。

8.根据权利要求1所述的一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法，其特征在于：

所述步骤(7)中，于目标减速喷气过程结束后，进入定点成像任务阶段，将反馈控制律切换为姿态及角速度双回路调节控制，通过中低增益控制提升姿态的平稳性。

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