[发明专利]一种考虑动态指向约束的航天器视轴机动控制方法

说明书

一种考虑动态指向约束的航天器视轴机动控制方法，包括建立航天器视轴控制系统模型，提出动态约束的数学模型并建立势函数以及设计系统的控制律的步骤，针对航天器视轴机动控制问题，考虑航天器旋转空间中存在动态指向约束的实际问题，提出了一种与势函数方法结合的航天器控制律，使航天器能够完成控制任务并自主实现对于动态约束的满足，该方法保证空间存在动态指向约束时航天器姿态控制系统的稳定性，并且能够自主规避约束，减少了航天器对于地面通讯的需求，提高了航天器的自主控制能力。

技术领域

本发明涉及航天器控制技术领域，具体涉及一种考虑动态指向约束的航天器视轴机动控制方法，主要应用于航天器在空间中进行视轴机动任务且空间中存在视轴的动态指向性约束的情形，提出了一种控制方法使得航天器在进行视轴机动控制时能够自主对动态约束进行规避。

背景技术

航天器的姿态控制问题是航天器控制不可分割的一部分，有很重要的工程应用意义。一般的姿态控制问题中设计者使用航天器的全部姿态信息，但是，在一些控制任务中，并不需要航天器的所有的姿态信息。例如，在控制航天器星载照相机、太阳电池阵列或者天线等仪器的指向任务中，只需要考虑该仪器视轴的指向，而不需要考虑绕这个视轴的旋转姿态。此外，由于传感器故障等一些因素，在一些情况下航天器的全部姿态信息也不能完全得到。因此，基于这些应用，视轴控制方法被提出。视轴控制方法是利用航天器的视轴信息进行机动控制的，这种控制只包含视轴位置信息而不包含关于视轴旋转的信息，与全姿态信息具有三个自由度相比，视轴控制方法只有两个自由度。

由于部分星载敏感仪器如CCD相机、红外照相机等镜头对光线比较敏感，不能直接对准强光物体，如太阳等，因此这些仪器的视轴在空间中存在一定的指向约束，并且这些约束在惯性坐标系下在一些情况下是时变的，即动态指向约束。对于姿态约束问题，主要自主处理方法分为势函数法与路径规划方法，其中，势函数法是通过设计势函数使得障碍区的势能处于高势，目标位置处于低势，设计控制律使得系统朝着势函数降低的方向运行，这样就能使得系统避免障碍区并最终到达目标位置。路径规划法是在系统运行之前将整个运行的路径做出详细的规划，然后是系统按照规划好的路径运行，但是这种方法随着障碍区的增多计算量也会随着增加。实时控制算法增加了航天器对地面通讯的依赖性，在通讯受限时有很大的约束性。中国专利CN201610323291.7基于几何分析提出另外空间飞行器的单轴指向纯磁控算法，通过磁力矩器输出的磁力矩与地磁场相互作用来实现单轴控制，但是该方法仅考虑了磁控算法，并没有考虑单轴的指向约束。中国专利CN201710521561.X中考虑了姿态约束与处理抗退绕的航天器姿态机动控制问题，将姿态约束与抗退绕问题结合起来，提出了新的势函数，但是该方法中使用了姿态四元素来表示航天器的姿态，即需要航天器姿态的全部信息，并且该发明仅考虑了静态约束而没有考虑动态约束。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑动态指向约束的航天器视轴机动控制方法，利用视轴控制的方法来处理动态指向性约束问题，针对航天器姿态控制中，只要求航天器某一视轴的指向目标位置，对航天器关于该视轴的旋转没有控制要求，并且该视轴在空间中存在动态指向约束的问题，提出了一种与势函数结合的视轴控制方法，使得航天器能够完成机动任务并且在机动过程中能够自主地满足动态指向约束，避免仪器的损坏。

本发明提供一种考虑动态指向约束的航天器视轴机动控制方法，包括以下步骤：

(1)基于航天器姿态动力学和运动学模型建立航天器视轴控制系统模型；

(2)基于步骤(1)建立的航天器视轴控制系统模型，根据要求的动态指向约束，提出约束的数学模型并建立势函数；

(3)在步骤(2)建立的势函数的基础上，对于步骤(1)建立的航天器视轴控制系统模型，设计系统的控制律，实现航天器对于视轴的机动控制并满足动态指向约束。

其中，所述步骤(1)具体为：