一種運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤控制方法，屬于衛(wèi)星控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星利用姿態(tài)機(jī)動控制衛(wèi)星指向的技術(shù)是個新領(lǐng)域，利用姿態(tài)機(jī)動使得衛(wèi)星指向 對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的技術(shù)還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤控 制方法，同時控制衛(wèi)星的姿態(tài)和角速度，在控制過程中利用衛(wèi)星目標(biāo)角速度計算出前饋力 矩，增強(qiáng)控制器響應(yīng)速度，提高控制精度。利用本發(fā)明可以控制衛(wèi)星的指向軸完成對運(yùn)動目 標(biāo)進(jìn)行跟蹤。
[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤控制方法，包括確定目標(biāo)姿 態(tài)四元數(shù)序列階段、確定目標(biāo)姿態(tài)角速度序列階段和利用比例、微分、前饋進(jìn)行控制階段；
[0005] 所述的確定目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)序列階段步驟如下：
[0006] (1)運(yùn)動目標(biāo)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系XoYoZo中的運(yùn)動，形成了一個時域上的視線方向 序列，包括了各個時刻運(yùn)動目標(biāo)的視線方向；跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的載荷安裝在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系 的Xb軸或Yb軸或Zb軸上，將安裝有跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的載荷的衛(wèi)星本體軸作為衛(wèi)星向運(yùn)動目 標(biāo)的指向軸；
[0007] (2)選擇衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)的轉(zhuǎn)序，該轉(zhuǎn)序?yàn)榈谝淮魏偷诙螌惭b有跟蹤運(yùn)動目標(biāo) 的載荷的衛(wèi)星本體軸以外的兩個衛(wèi)星本體軸先轉(zhuǎn)動，第三次轉(zhuǎn)動衛(wèi)星向運(yùn)動目標(biāo)的指向 軸，使衛(wèi)星向運(yùn)動目標(biāo)的指向軸指向運(yùn)動目標(biāo)；建立一個目標(biāo)姿態(tài)坐標(biāo)系O-X tYtZt，目標(biāo)姿 態(tài)坐標(biāo)系原點(diǎn)0為衛(wèi)星質(zhì)心，將衛(wèi)星向運(yùn)動目標(biāo)的指向軸作為Z t，根據(jù)衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài) 的轉(zhuǎn)序，確定目標(biāo)姿態(tài)坐標(biāo)系的Xt軸和Y τ軸；
[0008] (3)計算步驟（2)的衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)坐標(biāo)系相對于衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)角，即衛(wèi) 星第一次轉(zhuǎn)動和第二次轉(zhuǎn)動的姿態(tài)角根據(jù)步驟（1)運(yùn)動目標(biāo)的視線方向和步驟（2)衛(wèi)星目 標(biāo)姿態(tài)的轉(zhuǎn)序計算，第三次轉(zhuǎn)動的姿態(tài)角置為〇 ;根據(jù)這三個姿態(tài)角得到衛(wèi)星的目標(biāo)姿態(tài)， 再根據(jù)衛(wèi)星的目標(biāo)姿態(tài)計算出該時刻相應(yīng)的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)；
[0009] (4)根據(jù)步驟⑶計算得到的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)，按照時間順序排列，得到目標(biāo)姿態(tài) 四元數(shù)序列[q^aj，…q mQ(tk)，…，qmQ(tmd) ]，h為衛(wèi)星對運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤過程的初始 時刻，tk為衛(wèi)星對運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤過程中的某時刻，t end為衛(wèi)星對運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤 過程的結(jié)束時刻，qm()(t)為t時刻的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)；
[0010] 所述的確定目標(biāo)姿態(tài)角速度序列階段步驟如下：
[0011] (5)對步驟（4)的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)序列中相鄰時刻的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行差分計 算，得到每個時刻衛(wèi)星的目標(biāo)角速度；
[0012] (6)將步驟（5)的每個時刻衛(wèi)星的目標(biāo)角速度按照時間順序排列，得到目標(biāo)姿態(tài) 角速度序列[?m0(t0)，...《m0(tk)，...，《 m0(tend)]，ωπ〇α)為t時亥Ij的目標(biāo)姿態(tài)角速度；
[0013] 所述的利用比例、微分、前饋進(jìn)行控制階段步驟如下：
[0014] (7)根據(jù)步驟（4)的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)序列和步驟（6)的目標(biāo)姿態(tài)角速度序列，結(jié)合 衛(wèi)星當(dāng)前的姿態(tài)四元數(shù)和姿態(tài)角速度，按照比例+微分+前饋控制算法設(shè)計控制器。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于
[0016] (1)本發(fā)明同時控制衛(wèi)星的姿態(tài)和角速度，在控制過程中利用衛(wèi)星目標(biāo)角速度計 算出前饋力矩，增強(qiáng)控制器響應(yīng)速度，提高控制精度。利用本發(fā)明可以控制衛(wèi)星的指向軸完 成對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。
[0017] (2)本發(fā)明的步驟（7)可以提供較大帶寬的控制器，且用前饋可以進(jìn)一步提高控 制器的動態(tài)響應(yīng)速度。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)的示意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明利用衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)求解衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)角速度的示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明的流程圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明的效果說明，在跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的過程中利用本發(fā)明控制的衛(wèi)星的姿 態(tài)角曲線；
[0022] 圖5為本發(fā)明的效果說明，在跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的過程中利用本發(fā)明控制的衛(wèi)星的姿 態(tài)角速度曲線；
[0023] 圖6為本發(fā)明的效果說明，在跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的過程中利用本發(fā)明控制的衛(wèi)星的指 向軸指向目標(biāo)方向的誤差曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明的基本思路為：提供一種運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤控制方法，該方法首先根據(jù) 運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，規(guī)劃出衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)的時間序列，相鄰時刻的四元數(shù)之間的 機(jī)動按繞特征主軸最短路徑進(jìn)行機(jī)動規(guī)劃，控制過程中同時考慮姿態(tài)誤差和角速度誤差， 控制器設(shè)計引入前饋力矩增加響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤的精確控 制。
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0026] -種運(yùn)動目標(biāo)的指向跟蹤控制方法，包括確定目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)序列階段、確定目 標(biāo)姿態(tài)角速度序列階段和利用比例+微分+前饋進(jìn)行控制階段，
[0027] 所述的確定目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)序列階段步驟如下：
[0028] (1)運(yùn)動目標(biāo)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系XoYoZo中的運(yùn)動，形成了一個時域上的視線方向 序列，包括了各個時刻運(yùn)動目標(biāo)的視線方向；跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的載荷安裝在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系 的Xb軸或Yb軸或Zb軸上，將安裝有跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的載荷的衛(wèi)星本體軸作為衛(wèi)星向運(yùn)動目 標(biāo)的指向軸；
[0029] (2)選擇衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)的轉(zhuǎn)序，該轉(zhuǎn)序?yàn)榈谝淮魏偷诙螌惭b有跟蹤運(yùn)動目 標(biāo)的載荷的衛(wèi)星本體軸以外的兩個衛(wèi)星本體軸先轉(zhuǎn)動，第三次轉(zhuǎn)動衛(wèi)星向運(yùn)動目標(biāo)的指 向軸，使衛(wèi)星向運(yùn)動目標(biāo)的指向軸指向運(yùn)動目標(biāo)；如圖1所示，建立一個目標(biāo)姿態(tài)坐標(biāo)系 O-XtYtZt，衛(wèi)星質(zhì)心為目標(biāo)姿態(tài)坐標(biāo)系原點(diǎn)0, Z1^J衛(wèi)星向運(yùn)動目標(biāo)的指向軸，X τ軸和Y τ軸則 根據(jù)Zt和衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)的轉(zhuǎn)序進(jìn)行確定；
[0030] (3)計算步驟（2)的衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)坐標(biāo)系相對于衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)角，即衛(wèi) 星第一次轉(zhuǎn)動和第二次轉(zhuǎn)動的姿態(tài)角根據(jù)步驟（1)運(yùn)動目標(biāo)的視線方向和步驟（2)衛(wèi)星目 標(biāo)姿態(tài)的轉(zhuǎn)序計算，第三次轉(zhuǎn)動的姿態(tài)角置為〇 ;根據(jù)這三個姿態(tài)角得到衛(wèi)星的目標(biāo)姿態(tài)， 再根據(jù)衛(wèi)星的目標(biāo)姿態(tài)計算出該時刻相應(yīng)的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)；下面給出一個算例表明目標(biāo) 姿態(tài)的計算過程：
[0031] 定義Om為衛(wèi)星向運(yùn)動目標(biāo)的指向，在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的表示為
，其中 〇mX、〇my、〇ηιΛ 〇 m在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系X軸、Y軸、Z軸的分量。
[0032] 按照繞衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸順序先后轉(zhuǎn)動的方式為衛(wèi)星目標(biāo)姿態(tài)的 轉(zhuǎn)序，則根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)，可知衛(wèi)星在該轉(zhuǎn)序下目標(biāo)姿態(tài)的姿態(tài)角為：
[0033]
[0034] 式中只》、θ^、分別為衛(wèi)星的目標(biāo)姿態(tài)的滾動角、俯仰角、偏航角。根據(jù)衛(wèi)星的 目標(biāo)姿態(tài)的滾動角、俯仰角、偏航角，可以得到衛(wèi)星的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)qm()。
[0035] (4)根據(jù)步驟⑶計算得到的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)，按照時間順序排列，得到