[发明专利]一种航天器三超控制多级协同规划与敏捷机动方法

说明书

一种航天器三超控制多级协同规划与敏捷机动方法，适用于航天器相对运动控制领域。在追踪航天器与目标航天器相对姿态较大时，采用轨道外推获得追踪航天器和目标航天器的初始相对姿态，设计追踪航天器星体一级控制器实现敏捷机动以对目标航天器进行快速指向。当追踪航天器与目标航天器相对姿态较小时，通过光学相机进行载荷目标姿态规划。设计载荷二级姿态控制器，以光学载荷的测量信息为反馈，实现载荷光轴对目标航天器高精度指向控制。同时，针对追踪航天器星体和载荷控制器周期不同的问题，设计追踪航天器多级协同规划方法，利用卫星平台发送的姿态进行轨迹插值，实现载荷对目标姿态的高精度跟踪。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种航天器三超控制多级协同规划与敏捷机动方法，能够有效实现追踪航天器高精度指向目标航天器的敏捷机动控制。

背景技术

当前航天器对跟踪控制提出了三超(超高精度、超高稳定度、超敏捷)的要求，目标航天器指向跟踪任务期间，要求追踪航天器中的光学载荷能够指向目标航天器，并进行高精度姿态跟踪与保持控制，以获取清晰稳定的目标航天器图像信息。而在整个跟踪过程中需要尽可能的保持追踪航天器y轴(太阳翼)指向太阳进行能力获取，满足整星能源供应要求；在整个追踪航天器指向目标航天器的过程中，追踪航天器和目标航天器都处于快速的运动状态，指向过程中存在指向速度快、指向精度高的需求以及相对姿态变化快的矛盾问题。为实现追踪航天器高精度指向目标航天器，追踪航天器往往采用星体一级控制系统和载荷二级控制系统。在追踪航天器敏捷机动指向目标航天器的动态过程中，如何实现追踪航天器两级系统的控制协调和敏捷机动动态规划，是实现对目标航天器高精度观测的前提。现有追踪航天器敏捷机动指向目标航天器控制方法存在以下不足：

1、难以实现追踪航天器动态轨迹规划

由于现有的追踪航天器对目标航天器观测时，更多的采用直接观测的方法，不进行对目标航天器指向控制。所设计轨迹规划方法更多的侧重于期望姿态固定的敏捷机动。而在整个追踪航天器指向目标航天器过程中，追踪航天器与目标航天器都处于实时运动状态，且对指向控制精度要求较高。现有的轨迹规划方法，难以满足这类指向控制精度要求高且相对姿态动态变化的需求。

2、难以实现两级控制系统的动态轨迹规划

现有在轨追踪航天器对目标航天器观测都采用星体平台一级系统，其轨迹规划方法仅能给出追踪航天器星体一级控制系统的目标轨迹规划方法。当追踪航天器实现对目标航天器的粗指向后，此时光学相机敏感器能够实时测量目标航天器的相对姿态。现有的轨迹规划方法，难以实现基于光学相机测量的载荷二级目标轨迹动态规划。

3、难以实现两级控制系统的控制协调规划

目前常规的追踪航天器姿态控制系统中只有星体一级姿态控制，不包含载荷二级姿态控制系统。追踪航天器在整星敏捷机动过程中，仅需规划出星体一级目标姿态。由于追踪航天器星体和载荷控制周期不同，星体控制周期远大于载荷控制周期，采用现有姿态规划方法仅能实现追踪航天器星体目标姿态规划，无法实现载荷二级目标姿态规划。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器三超控制多级协同规划与敏捷机动方法，能够实现追踪航天器整星敏捷机动过程中星体和载荷姿态的协同规划，并通过轨道外推信息以及光学相机测量信息实现追踪航天器两级系统的动态轨迹规划。

本发明的技术解决方案是：一种航天器三超控制多级协同规划与敏捷机动方法，包括如下步骤：

(1)建立追踪航天器星体-主动指向超静平台-载荷两级姿态动力学模型；

(2)通过轨道外推信息获得追踪航天器与目标航天器的相对姿态和相对角速度信息；

(3)计算指向过程初始时刻t₀时，追踪航天器机动欧拉轴、欧拉角以及机动时间；