[发明专利]一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法

权利要求书

1.一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

步骤一、期望姿态计算；

根据卫星的初始姿态与目标姿态，计算期望四元数并计算卫星三轴机动对应的旋转轴与旋转角；获得期望四元数q_Q，期望旋转角度θ_Q和旋转轴方向e_n；

步骤二、三轴姿态规划；

在满足卫星转动惯量I、反作用飞轮力矩T和角动量H约束下，对三轴角加速度、角速度进行限幅和约束设置，获得角加速度限值α_LG和角速度限值ω_LG；并保证卫星三轴大角度机动过程中旋转轴方向不变，同时设计角加速度连续的八段式姿态规划器，以所述期望旋转角度θ_Q，角加速度限值α_LG，角速度限值ω_LG作为输入，角加速度生成函数定义如下：

其中，Δt_A为设定值，限定角加速度的上升时间，其值根据卫星执行机构的动态性能合理选择；Δt_B，Δt_C的值与期望角度θ_Q的大小有关；

通过所述姿态规划器获得实时规划角度θ∈[0，θ_Q]、实时规划角速度和实时规划角加速度并获得规划四元数q_G＝[cosθ；sinθe_n]，本体系三轴规划角速度和三轴规划角加速度

步骤三、快速机动控制；

步骤三一、计算偏差角速度ω_E和偏差四元数q_E；

卫星的实时姿态相对规划后的姿态的旋转四元数，即偏差四元数其中，卫星惯性系下四元数q为卫星本体坐标系相对惯性系的旋转四元数；初始四元数q_C为卫星的初始姿态相对惯性系的旋转四元数；

卫星的实时角速度与规划后的角速度的偏差在惯性系下的表示即偏差角速度其中，轨道角速度ω_gui为卫星轨道系相对惯性系的转动矢量在轨道系下的表示，卫星角速度ω为卫星本体系相对惯性系下的转动角速度；为轨道系相对卫星的初始姿态的旋转四元数；R(q_E)为q_E对应的旋转矩阵；为对应的旋转矩阵；

步骤三二、将获得的偏差角速度ω_E、偏差四元数q_E以及三轴规划角加速度α_G输入PD控制器，实现卫星在轨自主三轴快速机动控制；

所述PD控制器设计为：

u＝K_qα_G-K_Pq_E-K_dω_E

式中，K_q,K_P,K_d分别为前馈控制增益矩阵，比例控制增量矩阵和微分控制增益矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法，其特征在于：步骤一的具体过程为：

由四元数的定义得到，初始坐标系Oxyz相对目标坐标系Ox’y’z’的姿态转换表示为Φ为旋转角；

卫星的目标姿态相对初始姿态的期望四元数为其中，初始四元数q_C为卫星的初始姿态相对惯性系的旋转四元数；目标四元数q_F为卫星的目标姿态相对惯性系的旋转四元数；

由四元数的定义可知，由q_Q的标部q_Q0反向求得旋转角Φ，Φ＝2arccos(q_Q0)；同时，由得到旋转轴

当Φ＝0时，对应的四元数为q_Q＝[1；0；0；0]，目标姿态与初始姿态重合。