本發(fā)明涉及一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，屬于航天器在軌姿態(tài)控制。

背景技術(shù)：

1、航天器在軌觀測點(diǎn)目標(biāo)的方式主要采用靜態(tài)凝視的方式，即通過航天器姿態(tài)隨動(dòng)跟蹤控制使得載荷光軸始終指向動(dòng)態(tài)目標(biāo)，滿足成像的角度和穩(wěn)定度需求。靜態(tài)凝視方式下，穩(wěn)定度通常要求在積分時(shí)間內(nèi)像移小于1個(gè)像元，對應(yīng)點(diǎn)目標(biāo)在載荷成像像面上將始終處于像面中心不移動(dòng)。考慮到航天器觀測目標(biāo)的光軸指向區(qū)域的背景復(fù)雜且光照情況隨著姿態(tài)快速變化，導(dǎo)致成像背景噪聲大且噪聲特性時(shí)變，將目標(biāo)始終跟蹤在觀測視場中心的定點(diǎn)凝視指向方式下，可能將點(diǎn)目標(biāo)與載荷觀測視場內(nèi)的短期背景噪點(diǎn)混淆，檢測難度較大，檢測穩(wěn)定性差，不利于航天器長時(shí)間的目標(biāo)穩(wěn)定指向跟蹤。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，能夠適應(yīng)各種目標(biāo)動(dòng)態(tài)觀測的像移需求，利于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與短期背景的區(qū)分，提升星上目標(biāo)檢測能力和長期目標(biāo)跟蹤能力。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：第一方面，提供一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，包括：

3、根據(jù)外部輸入的目標(biāo)導(dǎo)引信息，解算出衛(wèi)星和目標(biāo)之間的矢量，記為星-目矢量，生成目標(biāo)處在觀測視場中心的姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)初值；

4、將總的目標(biāo)像移角速度上限分解為姿態(tài)角速度控制誤差和正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)角速度，計(jì)算出正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑和周期；

5、根據(jù)設(shè)計(jì)的正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑和周期以及星上時(shí)序，實(shí)時(shí)計(jì)算正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)的疊加四元數(shù)；

6、將正弦動(dòng)態(tài)觀測的疊加四元數(shù)與姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)初值結(jié)合，得到最終用于姿態(tài)導(dǎo)引的目標(biāo)四元數(shù)。

7、優(yōu)選的，根據(jù)外部輸入的目標(biāo)導(dǎo)引信息，解算出星-目矢量，生成目標(biāo)配置在觀測視場中心的姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)初值，具體為：

8、當(dāng)目標(biāo)導(dǎo)引信息為目標(biāo)的位置矢量rt和速度矢量vt時(shí)，星-目矢量計(jì)算為：

9、當(dāng)目標(biāo)導(dǎo)引信息為脫靶量信息sb時(shí)，星-目矢量計(jì)算為：rst＝aibsb，其中，aib為本體系至慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣，能夠通過衛(wèi)星姿態(tài)得到；

10、將目標(biāo)凝視在視場中心時(shí)，假設(shè)載荷在衛(wèi)星本體系下的指向+z軸，衛(wèi)星本體系+x軸要求與慣性矢量vi夾角最小，則導(dǎo)引姿態(tài)四元數(shù)的初值計(jì)算過程為：

11、

12、其中，ati為導(dǎo)引姿態(tài)四元數(shù)對應(yīng)的方向余弦矩陣，將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的四元數(shù)即為導(dǎo)引姿態(tài)四元數(shù)初值qit。

13、優(yōu)選的，衛(wèi)星本體系的三軸指向具體為：+z軸方向沿著衛(wèi)星質(zhì)心和目標(biāo)連線，+y軸方向由衛(wèi)星指向目標(biāo)的矢量和衛(wèi)星指向地心的矢量叉乘得到，+x軸由右手定則確定。

14、優(yōu)選的，慣性矢量vi是衛(wèi)星質(zhì)心指向地心方向的單位矢量。

15、優(yōu)選的，將總的目標(biāo)像移角速度上限分解為姿態(tài)角速度控制誤差和正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)角速度，計(jì)算出正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑和周期；具體為：

16、總的目標(biāo)像移角速度上限為δω，則姿態(tài)角速度控制誤差為δω1，正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)角速度為δω2＝δω-δω1；

17、正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)周期為：t＝tmin+δt，tmin為姿態(tài)控制帶寬下精確跟蹤控制的正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)最小周期，δt為預(yù)留控制余量；

18、計(jì)算正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑為

19、將正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑r與觀測視場半錐角r進(jìn)行比較，具體為：

20、若r/r＞0.2，則正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑相對觀測視場占比過大，將半徑取為r＝0.2r；若r/r≤0.2，則保持

21、更新相應(yīng)的正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)周期：若t小于tmin，則進(jìn)行姿態(tài)控制帶寬的調(diào)整。

22、優(yōu)選的，總的目標(biāo)像移角速度上限通過載荷曝光時(shí)間和像元分辨率計(jì)算得到。

23、優(yōu)選的，根據(jù)設(shè)計(jì)的正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑和周期以及星上時(shí)序，實(shí)時(shí)計(jì)算正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)的疊加四元數(shù)δq：

24、

25、其中：k為星上當(dāng)前的運(yùn)行拍數(shù)、τ為軟件運(yùn)行周期、r為正弦觀測運(yùn)動(dòng)半徑、t為正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)周期；

26、將δq0進(jìn)行四元數(shù)歸一化得到正弦動(dòng)態(tài)觀測的疊加四元數(shù)δq。

27、優(yōu)選的，將正弦動(dòng)態(tài)觀測的疊加四元數(shù)與姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)初值結(jié)合，得到最終用于姿態(tài)導(dǎo)引的目標(biāo)四元數(shù)qit_d，具體計(jì)算方法為：

28、

29、其中表示四元數(shù)乘法，δq為正弦動(dòng)態(tài)觀測的疊加四元數(shù)，qit為姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)初值。

30、第二方面，提供一種終端設(shè)備，包括：

31、存儲器，用于存儲至少一個(gè)處理器所執(zhí)行的指令；

32、處理器，用于執(zhí)行存儲器中存儲的指令，實(shí)現(xiàn)上文所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法。

33、第三方面，提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計(jì)算機(jī)指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行如上文所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法。

34、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

35、本發(fā)明通過在姿態(tài)導(dǎo)引中引入正弦運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同的點(diǎn)目標(biāo)動(dòng)態(tài)觀測的像移角速度需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的正弦運(yùn)動(dòng)周期和半徑，實(shí)現(xiàn)將目標(biāo)配置在觀測時(shí)長中心附近連續(xù)平滑地做圓周運(yùn)動(dòng)，有效地將目標(biāo)與短期觀測背景區(qū)分開來，便于星上自主檢測和長期穩(wěn)定跟蹤，提升衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤能力。

技術(shù)特征：

1.一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于：根據(jù)外部輸入的目標(biāo)導(dǎo)引信息，解算出星-目矢量，生成目標(biāo)配置在觀測視場中心的姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)初值，具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于：衛(wèi)星本體系的三軸指向具體為：+z軸方向沿著衛(wèi)星質(zhì)心和目標(biāo)連線，

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于：慣性矢量vi是衛(wèi)星質(zhì)心指向地心方向的單位矢量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于：將總的目標(biāo)像移角速度上限分解為姿態(tài)角速度控制誤差和正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)角速度，計(jì)算出正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑和周期；具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于：總的目標(biāo)像移角速度上限通過載荷曝光時(shí)間和像元分辨率計(jì)算得到。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于：根據(jù)設(shè)計(jì)的正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)半徑和周期以及星上時(shí)序，實(shí)時(shí)計(jì)算正弦動(dòng)態(tài)觀測運(yùn)動(dòng)的疊加四元數(shù)δq：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，其特征在于：將正弦動(dòng)態(tài)觀測的疊加四元數(shù)與姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)初值結(jié)合，得到最終用于姿態(tài)導(dǎo)引的目標(biāo)四元數(shù)qit_d，具體計(jì)算方法為：

9.一種終端設(shè)備，其特征在于，包括：

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計(jì)算機(jī)指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
一種點(diǎn)目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引算法，包含：步驟1、根據(jù)目標(biāo)導(dǎo)引信息，計(jì)算出星?目矢量，從而得到目標(biāo)處在觀測視場中心的導(dǎo)引四元數(shù)初值；步驟2、根據(jù)載荷觀測的穩(wěn)定度需求，計(jì)算出像面上的像移角速度上限，據(jù)此設(shè)計(jì)正弦運(yùn)動(dòng)的半徑和周期；步驟3、根據(jù)設(shè)計(jì)的正弦運(yùn)動(dòng)參數(shù)和星上時(shí)序，計(jì)算實(shí)時(shí)疊加的正弦運(yùn)動(dòng)四元數(shù)；步驟4、將正弦運(yùn)動(dòng)疊加四元數(shù)與導(dǎo)引四元數(shù)初值結(jié)合，得到用于目標(biāo)正弦動(dòng)態(tài)觀測的姿態(tài)導(dǎo)引四元數(shù)。本發(fā)明計(jì)算簡單，適用范圍廣，便于目標(biāo)檢測，提升星上目標(biāo)檢測能力和長期目標(biāo)跟蹤能力。

技術(shù)研發(fā)人員：林書宇,李德婷,潘曉東,史康,徐融,何益康
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海航天控制技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9