[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

说明书

本发明公开了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，包括如下步骤：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；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；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。本发明实现了卫星快速机动高精度姿态跟踪控制，并且通过混合执行机构零运动控制同时避免了RW饱和以及SGCMG的奇异问题。

技术领域

本发明涉及卫星姿态控制技术领域，尤其是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。

背景技术

随着空间活动日益频繁，在轨运行卫星数目急剧增加，针对失效卫星和空间碎片的监测等任务需求越来越迫切。此外，在轨运行卫星数量增加也带来了卫星碰撞等危险，例如2009年美国的铱33卫星与俄罗斯已经报废的Cosmos 2251卫星相撞，对在轨卫星的监测也成为热点。地面站观测为传统的监测方式，但我国地面站分布不广，并且天文望远镜口径大小影响地面站观测的分辨率。除此之外，还可以通过卫星从天基近距离对失效卫星、空间碎片等进行观测，这种观测方式极大地提高了分辨率，诸如预警卫星等动态跟踪高分辨率成像卫星应运而生。

典型的预警系统包括美国国防支援计划、天基红外系统和俄罗斯的“眼睛”系列预警卫星、“预报”系列预警卫星。针对空间高动态目标卫星跟踪成像，传统的“rest-to-rest”控制算法无法满足精度要求。

目前，国内外关于卫星目标跟踪快速机动已经有相关的研究。国防科学技术大学航天科学与工程学院的周伟敏设计了一种比例微分(PD)反馈控制和力矩前馈控制的复合控制算法，美国亚利桑那州立大学的Bong Wie设计了一种饱和反馈控制算法。但上述成果只适用于“rest-to-rest”模式的快速机动，无法完成连续动态跟踪的任务目标卫星。本发明提出基于“反步法”的动态姿态跟踪控制方法，解决卫星对目标卫星持续高精度跟踪和动态成像问题。

由于单一种类执行机构具有各自的局限性，如磁力矩器控制精度较低、推力器存在所需工质无法再生的问题、RW存在饱和问题、CMG有几何奇异问题，快速机动卫星通常采用混合执行机构，而基于CMG和RW的混合执行机构具有大力矩输出，控制精度高的特点。

北京航空航天大学宇航学院的王焕杰设计了一种最优轨迹的单框架控制力矩陀螺系统(SGCMGs)无奇异框架转速指令，该算法利用飞轮解决SGCMGs初始姿态偏差问题及外干扰不确定因素，但没有解决飞轮饱和问题，并且会产生SGCMG和飞轮频繁切换的问题，此外，该方法采用最优轨迹，不满足高动态实时性要求；哈尔滨工业大学卫星技术研究所的耿云海设计了一种SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法，但飞轮的输出力矩不能和SGCMG匹配；美国谢里夫理工大学的Mohammad Amin Alandi Hallaj设计了一种使用电磁力和反作用轮的卫星控制系统，但卫星的快速机动性不如使用SGCMG和飞轮的卫星控制系统。本发明提出混合执行机构零运动操控律，能满足高动态实时性要求，可利用RW逃避CMG的奇异点，并且利用CMG对RW去饱和。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供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，能够利用控制力矩陀螺和飞轮使敏捷卫星对目标进行快速跟踪，并且解决控制力矩陀螺的奇异问题和飞轮的饱和问题。

为解决上述技术问题，本发明提供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，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；