[发明专利]一种具有末端约束的姿态机动路径规划方法

说明书

本发明涉及一种具有末端约束的姿态机动路径规划方法，属于卫星姿态机动路径规划技术领域。该方法能够最大程度利用卫星或指向机构的执行能力，并且保证末端状态满足约束要求。本发明采用“预估‑校正”的机动规划迭代方法，从而实现对目标状态的动态规划。相比传统静态规划方法，采用本发明的方法可实现对从任意初始状态到具有动态末端约束的姿态的全路径规划，并且充分利用姿态或指向执行机构的输出能力，满足快速性和平滑性的要求。

技术领域

本发明涉及一种具有末端约束的姿态机动路径规划方法，属于卫星姿态(指向)机动路径规划技术领域。

背景技术

一种机动角度不确定且存在末端约束条件的姿态机动/指向路径规划问题，包括如下三种类型：

(1)在惯性定向模式中，姿控系统需对整星进行惯性定向(即，指定某一个时刻卫星光轴指向某一天区进行载荷定标成像)。由于从当前卫星姿态机动到目标姿态(载荷开机时刻的姿态)对应的欧拉转角与卫星所处的轨道位置相关，为了兼顾开机时刻并把开机前的等待时间最小化，以降低由于非正常对地姿态产生的外扰角动量积累，必须动态确定机动起始时刻并计算该时刻对应的欧拉转角。此问题可归结为机动角度不确定而末端角速度为零的机动路径规划问题；

(2)在陀螺标定模式中，姿控系统相对惯性空间完成三轴姿态机动后，整星相对于轨道坐标系主要在俯仰轴上存在一个较大的误差角，并在消除此误差角后建立轨道角速度，恢复正常对地姿态。由于轨道系相对惯性空间存在一个轨道角速度，因而机动过程中误差角会不断扩大。此问题可归结为机动角度不确定而末端角速度不为零的机动路径规划问题；

(3)在卫星进入地面站测控弧段时，数传天线必须尽快对地面站进行定向并下传载荷数据。在捕获过程中，数传天线两轴机动转角与卫星在轨道上的实时位置相关，同时在完成对地面站捕获后须维持一个时变角速度以实现对地面站的定向跟踪。此问题可归结为机动角度不确定而末端角速度为时变的机动路径规划问题。

综上所述，以前的路径方法只能解决机动角度确定而且末端角度是零这种情况，也就是rest-to-rest的情况。本发明的目的在于解决一种具有末端角速度约束的姿态路径规划(rest-to-move)问题，这种角速度约束可以是零、非零常值、非零时变值三种情况，而且要机动多大的角度事先是不确定的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种机动角度不确定且存在末端角速度约束的姿态机动/指向路径动态规划方法，采用预估-校正思想，通过迭代计算多次预估并校正机动角度，确保机动结束后满足姿态角速度约束。同时由于充分利用了系统机动最大角加速度和角速度并考虑了执行机构的响应特性，因而本发明保证了机动/指向全过程的快速性和平稳性要求。

本发明的技术解决方案是：

提供一种具有末端约束的姿态机动路径规划方法，步骤如下：

(1)建立卫星观测地面目标在时刻t的状态约束，并根据状态约束计算获得机动结束时姿态角的值χ(tend)和姿态角速度ω(tend)；

(2)根据执行机构的输出能力，设定最大角速度ωmax和最大角加速度amax，按机动过程相对时刻tm时间对机动过程进行规划，规划后的角加速度如下为ar＝ar(tm)，其中包含ar＝0时的滑行时间tacc2；

(3)根据步骤(2)规划的角加速度ar，获得各时刻规划角速度ω_r＝ω_r(t_m)和规划姿态角χ_r＝χ_r(t_m)，并求出规划结束tend时刻的姿态角χr(tend)；

(4)计算姿态角χr(tend)和实际值χ(tend)的偏差Δχ，确定滑行时间tacc2：

tacc2＝Δχ/ω_max