[发明专利]一种基于混合执行机构的空间高动态目标高精度姿态跟踪控制方法

权利要求书

1.一种基于混合执行机构的空间高动态目标高精度姿态跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)卫星的初始状态为执行常规观测任务，对混合执行机构进行配置，在目标卫星进入观测窗口后，卫星根据动态成像姿态调整策略进行姿态调整；

(2)利用基于递阶饱和操控律的机动方法进行快速机动，捕获目标卫星后，采用基于“反步法”的动态姿态跟踪控制方法进行姿态动态跟踪；采用基于“反步法”的动态姿态跟踪控制方法进行姿态动态跟踪，具体包括如下步骤：

(21)控制周期开始，初始化增益矩阵P：

其中q_e＝[q_e1 q_e2 q_e3]^T为误差四元数的矢量部分，q_e0为误差四元数的标量部分，E₃为3×3的单位矩阵，

ω_e＝ω-ω_d

ω为角速度，ω_d为期望角速度，ω_e为角速度误差；

(22)根据误差四元数和期望角速度建立系统状态方程：

x₁、x₂和x₃为系统状态变量，h_act为混合执行机构的角动量，T_act为混合执行机构的力矩，I为卫星的转动惯量，ω_d为期望角速度，为ω_d关于时间的导数；

(23)从最低阶次开始设计，设子系统和的输入z＝x₃-α(x₁，x₂)，设第一个李雅普诺夫函数并计算其导数，根据稳定条件获得参数α；

(24)设第二个李雅普诺夫函数并计算其导数，得到关于的等式，与状态联立，计算得到控制力矩u_c：

κ和σ是正的标量，k₁和k₂为系数；

(3)通过混合执行机构零运动操控律实现由SGCMG和RW组成的混合执行机构的协同控制，从而实现卫星对目标卫星持续高精度跟踪和动态成像。

2.如权利要求1所述的基于混合执行机构的空间高动态目标高精度姿态跟踪控制方法，其特征在于，步骤(1)中，对混合执行机构进行配置，具体为：包括SGCMG系统和RW系统；其中单框架控制力矩陀螺系统为具有较大角动量包络的正五棱锥构型，从而满足卫星大角度机动；SGCMG系统由第一SGCMG、第二SGCMG、第三SGCMG、第四SGCMG和第五SGCMG构成；飞轮系统为3-RW垂直构型，由第一RW、第二RW和第三RW构成；第一RW的旋转轴垂直于第一SGCMG的方向轴，第二RW的旋转轴垂直于第二SGCMG的方向轴，第三RW的旋转轴垂直于第一RW和第二RW的旋转轴所构成的平面。

3.如权利要求1所述的基于混合执行机构的空间高动态目标高精度姿态跟踪控制方法，其特征在于，步骤(1)中，卫星根据动态成像姿态调整策略进行姿态调整，具体包括如下步骤：

(11)定义卫星在初始状态时执行常规观测任务；

(12)如果卫星发现目标卫星，进入跟踪窗口，则进入步骤(13)；

(13)进入姿态调整模式，根据目标卫星的位置计算卫星期望姿态；

(14)根据步骤(13)计算的期望姿态，用基于递阶饱和操控律的机动方法实现“rest-to-rest”姿态快速调整，调整结束进入步骤(15)；

(15)进入动态成像模式，利用基于“反步法”的动态姿态跟踪控制方法进行动态跟踪，对目标卫星进行监测，检测结束后，进入步骤(16)；

(16)进行姿态机动，重新执行常规成像任务。

4.如权利要求1所述的基于混合执行机构的空间高动态目标高精度姿态跟踪控制方法，其特征在于，步骤(3)中，混合执行机构零运动操控律，具体为：

(31)控制周期开始，初始化加权矩阵W、常数系数r_i(i＝1，2，3)和λ_m(m＝1，2)；其中加权矩阵W需要适当选择，r_i和λ_m是需要适当选取的正参数，用于调整SGCMG的奇异值和RW的饱和值占混合执行机构动态性能的比例，且：

(32)根据公式计算SGCMG系统的奇异指数S_CMG和RW的饱和指数S_RW，并计算零运动强度ρ，其中J是SGCMG系统的雅克比矩阵，Ω_RW是飞轮的角速度，其中公式为：

ρ＝200exp(-10S_CMG)

[det(JJ^T)]_max表示det(JJ^T)的最大值，Ω_RW，max表示飞轮角速度的最大值；

(33)根据公式计算混合执行机构动态性能S_act，其中公式为：

(34)根据公式计算零运动矢量d，其中公式为：

其中，δ为SGCMG框架角大小的集合，Y为SGCMG框架角大小和RW角速度的集合：

(35)根据零运动操控律计算SGCMG的框架角速度和RW转子角加速度，其中零运动操控律为：

E₇为7×7的单位矩阵，且：

A＝[J R]

I_RW1、I_RW2和I_RW3分别为第一RW、第二RW和第三RW的转动惯量；

(36)混合执行机构工作；

(37)本步结束，进入下一个控制周期。