[发明专利]一种基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法

权利要求书

1.一种基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在于：包括一种基于Lyapunov原理的虚拟控制的滑模控制器；将立体视觉系统输出的实时观测数据转化为目标星绝对姿态作为滑模控制器的控制目标；根据目标卫星是非合作卫星，而非合作卫星失控后最终近似围绕一个定轴做旋转的运动特点，建立虚拟卫星运动模型；滑模控制器将虚拟卫星的动力学模型作为控制对象，得到虚拟卫星的姿态参量；以虚拟卫星估计的姿态参量和立体视觉系统得到的目标星绝对姿态作为滑模控制器的控制输入，滑模控制器根据控制输入计算出虚拟转动力矩并作用在虚拟卫星运动模型上；使得虚拟卫星的姿态与观测姿态同步，实现利用虚拟控制的滑模控制器对目标卫星姿态参数的估计。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过追踪星上的立体视觉系统获取目标卫星相对追踪星的相对位姿信息；然后根据该目标卫星相对追踪星的相对位姿信息结合目标星的结构信息，将目标卫星相对追踪星相对姿态信息转化为目标卫星相对惯性系的绝对姿态信息；然后通过目标卫星的绝对姿态信息差分推算出目标卫星的观测角速度；

步骤二，由于目标星卫星是非合作卫星，根据非合作卫星最终近似围绕一个定轴做旋转的运动特点，建立用来描述虚拟卫星运动的虚拟卫星模型，估计虚拟卫星的姿态参数；所述虚拟卫星模型包括目标卫星姿态运动学模型和姿态动力学模型；所述虚拟卫星的姿态参量包括目标卫星的估计四元数和估计角速度；

步骤三、根据步骤一中得到的目标卫星的绝对姿态信息和步骤二中得到的目标星姿态的估计四元数，建立四元数误差模型，从而得到目标星的误差四元数；根据步骤一中得到的目标卫星的观测角速度、步骤二中得到的目标星姿态动力学模型以及目标星的误差四元数，建立角速度误差模型，从而得到角速度误差；

步骤四、将虚拟反馈思想引入滑模控制器，设计基于Lyapunov原理的虚拟滑模控制器，将步骤三得到的目标星的误差四元数和角速度误差代入到虚拟滑模控制器，计算出虚拟控制量转动力矩“作用”在姿态动力学模型上，以消除虚拟卫星姿态与测量姿态之间的偏差，修正模型估计值，使得虚拟卫星的姿态与观测值同步，最终实现对目标卫星姿态参数的估计。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在于：所述步骤一中通过立体视觉系统观测的数据求解得出目标卫星的绝对姿态信息的方法包括以下步骤：

步骤一一，通过追踪星上的立体视觉系统得到同一目标卫星的两幅图像数据，采用surf算法对两幅图像上的卫星表面特征点进行提取和匹配，并输出同一特征点在两幅图像上相应的像面坐标；

步骤一二，基于视差原理对像面上成功配对的特征点进行3D重构，利用平行式双目立体视觉深度恢复公式，获得特征点相对于追踪星本体坐标系的空间坐标P_ci；

步骤一三，从步骤一二获取的空间坐标中选取三个空间坐标S₁,S₂,S₃，建立特征点坐标系，以特征点S₂为坐标原点O_S，向量S₂S₁为Z_S轴，以垂直于特征点平面且背离目标星质心的方向为X_S轴，建立特征点坐标系O_S-X_SY_SZ_S，同时可以确定三个特征点在特征点坐标系的坐标P_si；

步骤一四，根据追踪星本体坐标系和特征点坐标系，建立特征点在特征点坐标系与追踪星本体系间的转换关系公式：P_ci＝RP_si+T，其中R和T分别为两坐标系的姿态转换矩阵和平移矢量；同时根据目标星的结构，确定目标星质心在特征点坐标系中的坐标，从而推算出目标星相对追踪星的相对姿态；

步骤一五，根据追踪星的姿态信息，将步骤一四得到的相对姿态转化为目标星的绝对姿态。