成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方法
【專利摘要】成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方法，包括以下步驟：(1)敏感器的安裝布局；(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝布局；(3)姿態(tài)確定；(4)姿態(tài)軌跡規(guī)劃；(5)姿態(tài)控制誤差計(jì)算；(6)姿態(tài)控制。本發(fā)明在成像定標(biāo)中可以自主選擇姿態(tài)確定方法，在姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程引入姿態(tài)修正或姿態(tài)更新，既適用于陀螺正常情況，也適應(yīng)于陀螺故障情況，有利于飛行器延壽和安全可靠，綜合設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制算法，提供高品質(zhì)的姿態(tài)，有利于遙感器的在軌成像標(biāo)定。
【專利說(shuō)明】成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于飛行器（航空和航天）的自動(dòng)控制領(lǐng)域，涉及成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在軌運(yùn)行的遙感器隨著空間環(huán)境條件的變化，其性能如CCD器件的響應(yīng)度將會(huì)產(chǎn) 生新的影響，隨著空間任務(wù)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的地面標(biāo)定手段已經(jīng)不能滿足高精度遙 感的需求，遙感器研制單位提出了飛行器在軌姿態(tài)機(jī)動(dòng)一定角度的成像定標(biāo)方法（如對(duì)地 成像遙感器要求飛行器偏航機(jī)動(dòng)90度），不僅對(duì)姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間和姿態(tài)偏置穩(wěn)態(tài)飛行時(shí)間提 出了要求，而且對(duì)穩(wěn)態(tài)飛行期間的姿態(tài)確定精度、穩(wěn)定度和指向精度等提出了要求。
[0003] 以往關(guān)于遙感器標(biāo)定的文獻(xiàn)有很多，但是只是關(guān)注于標(biāo)定方法，而未見(jiàn)成像定標(biāo) 的飛行器姿態(tài)控制文獻(xiàn)。事實(shí)上，為了滿足成像定標(biāo)的要求，飛行器姿態(tài)機(jī)動(dòng)一般屬于大角 度快速機(jī)動(dòng)，敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝布局要兼顧正常飛行姿態(tài)和成像定標(biāo)姿態(tài)，姿態(tài)控 制方法也不同于常規(guī)的姿態(tài)控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：針對(duì)遙感器標(biāo)定的姿態(tài)控制問(wèn)題，提供了一種成像定 標(biāo)的姿態(tài)控制方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方法，包括以下步驟：
[0006] (1)確定敏感器的安裝布局：所述的敏感器包括陀螺和星敏感器；陀螺安裝布局 根據(jù)最大機(jī)動(dòng)角速度需求確定，滿足姿態(tài)控制期間陀螺不飽和；星敏感器的安裝布局滿足 在軌使用要求和姿態(tài)確定精度的要求；
[0007] (2)確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝布局：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝布局滿足姿態(tài)控制期間不飽和且 能輸出有效力矩；
[0008] (3)預(yù)估姿態(tài)，包括：利用陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)四元數(shù)和角速度預(yù)估即有陀螺姿態(tài)； 利用姿態(tài)動(dòng)力學(xué)預(yù)估姿態(tài)四元數(shù)和角速度即無(wú)陀螺姿態(tài)；
[0009] (4)如果當(dāng)前星敏感器數(shù)據(jù)無(wú)效則轉(zhuǎn)步驟（6)，否則：分別對(duì)步驟（3)預(yù)估的姿態(tài) 進(jìn)行卡爾曼濾波姿態(tài)修正，修正后轉(zhuǎn)步驟（5);
[0010] (5)如果當(dāng)前星敏感器數(shù)據(jù)有效之前出現(xiàn)星敏感器持續(xù)無(wú)效且處于姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程 則采用當(dāng)前有效星敏感器數(shù)據(jù)根據(jù)幾何定姿算法更新當(dāng)前姿態(tài)，即由星敏感器確定的姿態(tài) 直接更新當(dāng)前有陀螺和無(wú)陀螺姿態(tài)，后轉(zhuǎn)步驟（6);
[0011] (6)確定三軸姿態(tài)：根據(jù)有陀螺姿態(tài)和無(wú)陀螺姿態(tài)的姿態(tài)四元數(shù)、軌道數(shù)據(jù)確定 三軸有陀螺和無(wú)陀螺姿態(tài)角；
[0012] (7)根據(jù)飛行器質(zhì)量特性、控制力矩大小、角動(dòng)量容量、姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度、姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí) 間要求設(shè)計(jì)姿態(tài)機(jī)動(dòng)軌跡以及機(jī)動(dòng)到位后的跟蹤軌跡；
[0013] (8)根據(jù)飛行器當(dāng)前姿態(tài)，即陀螺正常則當(dāng)前姿態(tài)取有陀螺姿態(tài)，否則取無(wú)陀螺姿 態(tài)和步驟（7)中設(shè)計(jì)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)軌跡中的姿態(tài)計(jì)算姿態(tài)控制誤差；
[0014] (9)利用步驟（8)中計(jì)算的姿態(tài)控制誤差進(jìn)行姿態(tài)控制。
[0015] 所述步驟（1)中的在軌使用要求包括角速度要求和遮光性能要求，遮光性能要求 滿足下式：,,）< a 其中Z1B為星敏感器光軸在飛行器本體系的安裝方位列矢 量、rs/e為太陽(yáng)或地心單位矢量在飛行器本體系的表示、a s/e為考慮星敏感器遮光角的判斷 閾值。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 1)本發(fā)明在成像定標(biāo)中可以自主選擇姿態(tài)確定方法。
[0018] 2)本發(fā)明既適用于陀螺正常情況，也適應(yīng)于陀螺故障情況，有利于飛行器延壽和 安全可靠。
[0019] 3)本發(fā)明在姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程引入姿態(tài)修正或姿態(tài)更新，不僅提高了姿態(tài)確定精度， 而且可以縮短機(jī)動(dòng)到位后的進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間。
[0020] 4)本發(fā)明在ro或PID控制算法的基礎(chǔ)上引入結(jié)構(gòu)濾波器和低通濾波器，可提高抗 干擾能力和克服撓性模態(tài)的影響，得到更好的姿態(tài)控制品質(zhì)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明流程圖。
[0022] 圖2為姿態(tài)確定流程圖。
[0023] 圖3為姿態(tài)控制流程圖。
[0024] 圖4為偏航機(jī)動(dòng)90度成像定標(biāo)的曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方法，包括如下步驟：
[0026] (1)敏感器的安裝布局
[0027] 考慮陀螺和星敏感器的安裝：
[0028] 1)根據(jù)最大機(jī)動(dòng)角速度需求確定陀螺的安裝，滿足姿態(tài)控制期間陀螺不飽和，即 lKl<%max，其中Rg為陀螺的安裝位置，為機(jī)動(dòng)角速度需求，《8_為陀螺的測(cè)量量 程；
[0029] 2)姿態(tài)機(jī)動(dòng)期間盡量有1個(gè)星敏感器滿足其在軌使用要求，姿態(tài)偏置穩(wěn)態(tài)飛行期 間星敏感器的安裝滿足其在軌使用要求和姿態(tài)確定精度的要求。在軌使用要求包括角速度 要求和遮光性能要求，其中角速度要求通過(guò)下式判斷：|尺&_?[|<巧"1￡?，遮光性能通過(guò)下式 判斷：，其中Rsts為星敏感器的安裝位置，ω_χ為星敏感器的允許角速 度要求，Ζ1Β為星敏感器光軸在飛行器本體系的安裝方位列矢量、rs/e為太陽(yáng)或地心單位矢量 在飛行器本體系的表示、a s/e為考慮星敏感器遮光角的判斷閾值，星敏感器安裝方位要兼 顧正常飛行姿態(tài)和成像定標(biāo)姿態(tài)。單個(gè)星敏感器可用的姿態(tài)確定精度與星敏感器光軸和橫 軸的測(cè)量誤差相關(guān)，兩個(gè)星敏感器可用的姿態(tài)確定精度與星敏感器光軸及光軸夾角相關(guān)， 可由下式近似確定：

【權(quán)利要求】
1. 成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 確定敏感器的安裝布局：所述的敏感器包括陀螺和星敏感器；陀螺安裝布局根據(jù) 最大機(jī)動(dòng)角速度需求確定，滿足姿態(tài)控制期間陀螺不飽和；星敏感器的安裝布局滿足在軌 使用要求和姿態(tài)確定精度的要求； (2) 確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝布局：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝布局滿足姿態(tài)控制期間不飽和且能輸 出有效力矩； (3) 預(yù)估姿態(tài)，包括：利用陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)四元數(shù)和角速度預(yù)估即有陀螺姿態(tài)；利用 姿態(tài)動(dòng)力學(xué)預(yù)估姿態(tài)四元數(shù)和角速度即無(wú)陀螺姿態(tài)； (4) 如果當(dāng)前星敏感器數(shù)據(jù)無(wú)效則轉(zhuǎn)步驟（6)，否則：分別對(duì)步驟（3)預(yù)估的姿態(tài)進(jìn)行 卡爾曼濾波姿態(tài)修正，修正后轉(zhuǎn)步驟（5); (5) 如果當(dāng)前星敏感器數(shù)據(jù)有效之前出現(xiàn)星敏感器持續(xù)無(wú)效且處于姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程則采 用當(dāng)前有效星敏感器數(shù)據(jù)根據(jù)幾何定姿算法更新當(dāng)前姿態(tài)，即由星敏感器確定的姿態(tài)直接 更新當(dāng)前有陀螺和無(wú)陀螺姿態(tài)，后轉(zhuǎn)步驟（6); (6) 確定三軸姿態(tài)：根據(jù)有陀螺姿態(tài)和無(wú)陀螺姿態(tài)的姿態(tài)四元數(shù)、軌道數(shù)據(jù)確定三軸 有陀螺和無(wú)陀螺姿態(tài)角； (7) 根據(jù)飛行器質(zhì)量特性、控制力矩大小、角動(dòng)量容量、姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度、姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間要 求設(shè)計(jì)姿態(tài)機(jī)動(dòng)軌跡以及機(jī)動(dòng)到位后的跟蹤軌跡； (8) 根據(jù)飛行器當(dāng)前姿態(tài)，即陀螺正常則當(dāng)前姿態(tài)取有陀螺姿態(tài)，否則取無(wú)陀螺姿態(tài)和 步驟（7)中設(shè)計(jì)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)軌跡中的姿態(tài)計(jì)算姿態(tài)控制誤差； (9) 利用步驟（8)中計(jì)算的姿態(tài)控制誤差進(jìn)行姿態(tài)控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像定標(biāo)的姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述步驟 (1)中的在軌使用要求包括角速度要求和遮光性能要求，遮光性能要求滿足下式： acc^Z^r、,,）< αι(,，其中Z1B為星敏感器光軸在飛行器本體系的安裝方位列矢量、rs/e為太 陽(yáng)或地心單位矢量在飛行器本體系的表示、a s/e為考慮星敏感器遮光角的判斷閾值。
【文檔編號(hào)】B64G1/28GK104085539SQ201410298836
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】王新民, 曾春平, 田科豐, 董筠, 宗紅, 謝曉兵, 李麗瓊, 徐子荔 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所