[发明专利]一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法

说明书

一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法，涉及航天器姿态确定控制技术领域，解决现有卫星需要三轴机动时快速性与稳定性的矛盾问题，本发明包括期望姿态计算；三轴姿态规划和快速机动控制三个过程，通过本发明的卫星在轨自主三轴快速机动控制后，针对海上搜救、灾后广域搜救、应急地理勘察等应急任务时，保证卫星快速获取数据，同时保证成像的稳定性，获取高质量图像数据。从而提高低轨遥感卫星的成像能力，确保了在轨采集的图像数据的高时效性。

技术领域

本发明涉及航天器姿态确定控制技术领域，具体涉及一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法。

背景技术

卫星进行海上搜救、灾后广域搜救、应急地理勘察等应急任务时，要求卫星快速的进行大角度姿态机动，而微小卫星的执行机构的力矩和角动量的大小是有限值的，卫星的角速度受限，需要在卫星约束下进行卫星的控制实现卫星的快速性。现有研究中，姿态的快速机动分为两个方向研究，一个方向为进行姿态规划，主要针对卫星仅存在侧摆机动的大角度机动情形进行姿态规划，实现卫星的快速侧摆，当卫星发生三轴机动时，不再适用。第二个方向为，设计基于欧拉轴转动的递阶饱和姿态控制律等新型控制方法，控制星体做绕欧拉轴的姿态机动，进行最短路径机动，但仍存在机动的快速性与稳定性的矛盾。

遥感卫星在轨长期运行在对日定向三轴稳定模式下，进行对地成像前，卫星需要进行三轴快速机动。根据卫星的转动惯量，执行机构的力矩与角动量约束，设计一种基于三轴姿态规划的方式，保证卫星在机动过程中旋转轴不变，为卫星的快速机动提供保证，并设计相应的控制算法可实现快速机动，同时解决快速性与稳定性的矛盾。

发明内容

本发明为了实现卫星在轨自主快速成像，解决卫星需要三轴机动时快速性与稳定性的矛盾问题，提供一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法。

一种卫星在轨自主三轴快速机动控制方法，该方法由以下步骤实现：

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；