[发明专利]带可动相机探测器的姿态机动规划方法

说明书

本发明公开的带可动相机探测器的姿态机动规划方法，属于航天器姿态规划领域。本发明实现方法为：通过在轨道坐标系下建立探测器和可动相机组合体的姿态模型，在本体系下建立可动相机的姿态模型，基于上述模型处理可动相机的有界约束和指向约束，区别于传统的三轴稳定探测器姿态路径规划，将可动相机当做探测器的第n轴进行独立工作，通过随机运动规划RRT算法得到满足有界和指向约束的可动相机的姿态机动路径，再采用差分进化算法对上述路径优化处理，得到快速高效的可动相机的姿态路径。本发明具有速度快，效率高，安全性高，节省能源消耗和本体姿态机动灵活性高的优点，适用于带可动相机探测器姿态机动路径规划。

技术领域

本发明涉及可动相机的姿态建模与规划方法，适用于带可动相机探测器姿态机动过程，属于航天器姿态规划领域。

背景技术

探测器往往带有可动相机，以便于进行深空探测和导航等任务。探测器在执行任务时，要求可动相机进行多次姿态机动，故存在各种姿态几何约束，可动相机需要指向探测目标，同时可动相机作为光敏元件需要躲避强光天体。为了保证深空任务的持久运行，需要做好携带可动相机探测器的姿态规划。

在带可动相机探测器的姿态控制研究方面，把可动相机当作扰动，通过设计前馈反馈或者自适应控制器，来补偿探测器本体姿态运动，从而提高探测器的抗干扰性能。而在可动相机的姿态规划方面，都把可动相机看作本体系下的固定方向矢量，对三轴探测器整体进行姿态规划，常用方法有势能函数法、约束监测法、随机运动规划方法、遗传算法、粒子群算法等。例如随机运动规划RRT算法，就是一种高效地解决高维空间和复杂约束的路径规划算法，而差分进化算法则是一种基于群体的启发式搜索算法，可以用于全局优化路径。但基于三轴探测器整体姿态规划，这样可动相机不是真正意义上可动的。

实际深空探测任务中，为了避免大角度偏转和维持姿态稳定，可动相机常常独立于三轴本体作为单独的第四轴来进行工作，而且可动相机一般需要较快完成运动。这时就需要对带可动相机探测器进行姿态建模，并针对其第四轴可动的特性进行姿态规划。具有效率高，安全性高和灵活性强的优点。

发明内容

现有技术中带可动相机探测器都建立三轴稳定的姿态模型，把可动相机看作本体上的定矢量进行姿态建模和规划，并不符合探测器可动相机常常是相对于探测器本体转动进行工作的实际工程情况。本发明公开的带可动相机探测器的姿态机动规划方法要解决的技术问题是：建立探测器可动相机的四轴姿态模型，对可动相机和探测器的姿态动力学进行解耦，分别考虑可动相机和探测器所受约束，实现带可动相机探测器的姿态建模与姿态机动规划。本发明具有速度快，效率高，安全性高，节省能源消耗和本体姿态机动灵活性高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的带可动相机探测器的姿态机动规划方法，通过在轨道坐标系下建立探测器和可动相机组合体的姿态模型，在本体系下建立可动相机的姿态模型，基于上述模型处理可动相机的有界约束和指向约束，区别于传统的三轴稳定探测器姿态路径规划，将可动相机当做探测器的第n轴进行独立工作，通过随机运动规划RRT算法得到满足有界和指向约束的可动相机的姿态机动路径，再采用差分进化算法对上述路径优化处理，得到快速高效的可动相机的姿态路径。该方法具有速度快，效率高，安全性高，节省能源消耗和本体姿态机动灵活性高的优点，适用于带可动相机探测器姿态机动路径规划。

本发明公开的带可动相机探测器的姿态机动规划方法，包括如下步骤：

步骤一：以轨道坐标系当作参考坐标系，在参考坐标系下建立探测器和可动相机的姿态模型。

以轨道坐标系当作参考坐标系，即当探测器的姿态角为零的时候，本体坐标系与轨道坐标系重合。此时探测器和可动相机组合体的角动量由两部分组成，再考虑动量矩定理，得出探测器和可动相机组合体姿态动力学方程：