[发明专利]一种兼顾动态跟踪与定点成像任务的联合姿态机动方法

说明书

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。

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：