[发明专利]一种基于四元数的时间最优的卫星姿态快速机动方法

说明书

本发明涉及一种基于四元数的时间最优的卫星姿态快速机动方法，包括下列步骤：根据初始姿态机动四元数和目标姿态机动四元数确定姿态机动空间轴和姿态机动角；根据所述姿态机动角确定角速度；以及基于所述角速度确定四元数机动轨迹。通过本发明，可以满足姿态快速机动的需求，从而尽可能快地将探测器定向到观测目标以完成观测。

技术领域

本发明总体而言涉及航天器姿态控制技术领域，具体而言，涉及一种基于四元数的时间最优的卫星姿态快速机动方法。

背景技术

随着现代卫星技术的不断发展，卫星在各个领域得到了广泛的应用。这其中，科学探测卫星占据了很大比例。科学探测卫星的一个重要作用是对宇宙空间的探索，例如对宇宙射线等爆发源的观测。在太空中，一旦发现了诸如爆发源之类的观测目标，需要尽快将探测器指向观测目标。由于宇宙射线等观测目标大多属于暂现源信号，因此需要卫星通过快速姿态机动迅速地指向爆发源观测目标，其姿态机动时间的长短直接决定了科学观测任务完成的效果，甚至决定了任务的成败。这对卫星姿态机动的快速性提出了很高的要求。

目前常用的卫星姿态快速机动算法主要基于欧拉轴进行的各种路径规划算法，但卫星的姿态机动并不局限于某一个欧拉轴，而是一个空间轴的机动，传统的姿态机动算法无法兼顾时间最优及轨迹最优的双重需求。

发明内容

本发明的任务是提供一种基于四元数的时间最优的卫星姿态快速机动方法，通过该方法，可以满足姿态快速机动的需求，从而尽可能快地将探测器定向到观测目标以完成观测。

根据本发明，该任务通过一种基于四元数的时间最优的卫星姿态快速机动方法来解决，该方法包括下列步骤：

根据初始姿态机动四元数和目标姿态机动四元数确定姿态机动空间轴和姿态机动角；

根据所述姿态机动角确定角速度；以及

基于所述角速度确定四元数机动轨迹。

在本发明的一个优选方案中规定，根据初始姿态机动四元数和目标姿态机动四元数确定姿态机动空间轴和姿态机动角包括：

根据初始姿态四元数q_int和目标姿态四元数q_end计算出误差四元数q_e：

若q_0e＜0，则：q_e＝[-q_0e -q_1e -q_2e -q_3e]^T；

将误差四元数表示成由标量和三维矢量组成的形式：

以及

确定机动的空间角及旋转空间轴E：

在本发明的另一优选方案中规定，根据所述姿态机动角确定角速度包括：

如果则根据下式确定角速度：

其中：

如果则根据下式确定角速度：

其中：

其中ω_max为最大机动限幅角速度，dω_max最大机动角加速度。

在本发明的又一优选方案中规定，基于所述角速度确定四元数机动轨迹包括：