[发明专利]一种基于最大角加速度和最大角速度卫星规划轨迹方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于最大角加速度和最大角速度卫星规划轨迹方法。

背景技术

对地观测卫星特别是具有快速响应能力的成像卫星，在轨运行时需要迅速获取地面不同目标信息或者地面同一目标连续/间断信息，因此，这类卫星都必须具备快速大角度姿态机动的能力。

卫星实现大角度姿态机动的前提是机动轨迹规划。在以往的研究中，研究人员往往人为设定规划轨迹的最大角加速度和最大角速度，通过试凑的方法，使设计出的规划轨迹在执行机构的能力范围之内，以实现大角度机动。这类方法给出的规划轨迹往往不能充分利用执行机构的机动能力，而且不能保证机动时间最短。因此，有必要给出规划轨迹的最大角加速度和最大角速度的设计方法，使执行机构的能力得到充分利用，从而最大程度地缩短机动时间。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的规划轨迹确定方法不能充分利用执行机构的机动能力，而且不能保证机动时间最短的问题，而提出一种基于最大角加速度和最大角速度卫星规划轨迹方法。

一种基于最大角加速度和最大角速度卫星规划轨迹方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设定与目标姿态对应的目标坐标系o_bx_ty_tz_t，根据：

Φ_m＝2arccosq_m0(2)，

计算卫星由初始姿态机动至目标姿态的欧拉轴e_m和转角Φ_m；式中，q_m0表示卫星由初始姿态机动至目标姿态的机动四元数Q_m的标部，q_m表示卫星由初始姿态机动至目标姿态的机动四元数Q_m的矢部，Q_m为四维矢量Q_m＝[q_m0 q_m]^T，且

式中，Q_i表示初始姿态四元数，Q_t为表示目标姿态四元数；

步骤二、获得规划轨迹的最大角加速度和最大角速度的约束方程：

其中，

式中，表示规划轨迹的最大角加速度，表示规划轨迹的最大角速度，表示角加速度力矩项的系数，表示角速度力矩项的系数，I是3×3的矩阵，表示卫星相对其质心的转动惯量，e_m表示欧拉轴，ω_oI表示轨道角速度，H₀表示初始时刻卫星系统的角动量，T_wmax是标量，为飞轮力矩包络半径；

步骤三、将步骤二中涉及的角速度力矩项的系数分解为和两部分，并获得和的模值：

其中，是与平行的角速度力矩项系数，是与垂直的角速度力矩项系数；

步骤四、由规划轨迹的最大角速度表示规划轨迹的最大角加速度

步骤五、获得受飞轮最大角动量限制的最大角速度的表达式：

式中，H_wmax表示飞轮角动量包络半径，下角标H表示最大角速度受飞轮角动量上限约束；

步骤六、计算最短机动时间t_m：

并联合式(9)得到以规划轨迹的最大角速度为自变量的机动时间t_m的函数：

结合如下约束：

求出使机动时间t_m取最小值时规划轨迹的最大角速度

步骤七、将步骤六获得的规划轨迹的最大角速度代入式(9)，求出规划轨迹的最大角加速度

本发明的有益效果为：

本发明实现了一种设计卫星规划轨迹的最大角加速度和最大角速度的方法，通过限定项的取值范围，使得飞轮的力矩得以充分利用，通过获得的规划轨迹的最大角速度保证所设计的规划轨迹充分利用飞轮的能力，以使得机动时间最短。

本发明方法在分析飞轮力矩空间的利用过程中设计各明确物理含义的物理量，易于理解；使得本发明方法简单易行，简化计算过程，使得卫星在轨运行时快速获取地面目标的信息和相应。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为具体实施方式步骤三、四所述在飞轮力矩包络内的力矩示意图；