绕空间轴的偏流角跟踪控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及卫星姿轨控分系统偏流角跟踪控制技术领域，具体地，设及一种绕空 间轴的偏流角跟踪巧制方法。
【背景技术】
[0002] 偏流角的定义即为目标在像平面投影的像移速度矢量，与推扫阵列的列向夹角， 如图1所示。对于TDICCD相机等推扫方式工作的有效载荷，为保证其成像清晰，要求卫星姿 轨控分系统通过姿态控制实时调整载荷的视轴，使成像目标在像平面的移动速度矢量方向 垂直于推扫阵列。此即为卫星姿轨控分系统偏流角跟踪控制(偏航导引）要求。
[0003] -种带有摆镜机构的光学相机，其对于星体的偏流角跟踪与目前常规卫星跟踪方 式不同。常规卫星相机光轴与本体轴重合，偏流角跟踪仅需要绕本体轴跟踪，如图2所示。但 运种带有摆镜机构的光学相机，由于相机摆镜摆角任意，导致偏流角跟踪不能绕本体轴，必 须根据摆镜摆角位置实时计算空间轴指向，在规定的时间内实现绕空间轴偏流角跟踪，保 证相机对指定目标的成像。
[0004] 而卫星由于搭载了摆镜，随着摆镜的运动，相当于相机光轴二倍角度变化。因此， 姿轨控修正卫星的偏流角时，应绕瞬时的相机视场光轴方向，偏置一定角度，运个角度同偏 流角。此时，卫星相当于绕空间轴姿态偏置，S轴姿态可能都有分量，如图3所示。此外，考虑 可能的摆镜异常，将需要卫星平台通过姿态机动来调整相机光轴指向，W代替摆镜转动，而 在此基础上的偏流角跟踪控制将变得更加复杂。此时，若继续采用=轴欧拉角依次旋转的 方式进行姿态控制方式，将带来姿态解算及转序问题，且姿态控制流程复杂，无法实现快速 跟踪偏流角。因此有必要开发一种新的适用于任意空间轴的偏流角跟踪控制方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种绕空间轴的偏流角跟踪控制 方法，针对可见光相机等有效载荷的偏流角控制需求，首次提出了基于四元数的绕空间轴 的偏流角跟踪控制方法;此控制方法不同于现有卫星相机光轴与本体轴重合的偏流角跟踪 方式，在相机光轴根据目标任意变化情况下，设计并实现了一种更具用通用性的偏流角跟 踪方式，进而实现一步到位的绕空间轴偏流角跟踪控制。
[0006] 为实现上述目的，本发明通过W下的技术方案实现。
[0007] -种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，包括如下步骤：
[000引第一步，根据卫星当前工作的姿态引导模式和摆镜工作状态，配合星上自主任务 规划程序，进行基准姿态四元数计算；
[0009] 第二步，根据摆镜摆角和相机偏流角，进行偏流角修正四元数计算；
[0010] 第=步，在基准姿态四元数和偏流角修正四元数的基础上，进行偏流角跟踪控制 的最终的目标姿态四元数计算；
[0011] 第四步，根据姿态确定模块给出的当前卫星姿态四元数和第=步得到的目标姿态 四元数，进行控制偏差四元数计算，采用偏差四元数的矢部作为控制用姿态。
[0012] 优选地，所述第一步具体为：
[0013] 所述姿态引导模式包括快速引导模式、详查引导模式和机动引导模式;其中：
[0014]在快速引导模式下:所述基准姿态qck的基准姿态四元数为qck=[l0 0 0];
[0015] 在详查引导模式下：当自主规划程序发现目标后送出摆镜摆角的同时，按照3-1-2 转序记录当前卫星的实时姿态角口、9，下一拍，姿轨控系统根据收到的实时姿态角巧（滚 动姿态）、0(俯仰姿态）、M偏航姿态）计算四元数q〇b即为基准姿态四元数qck， y,,=皆心)@0、(梦(別，并在相机工作期间保持不变，其中，所述Qz(il〇表示绕Z轴转过4 角度的旋转四元数，公^約为绕X轴转过角度的旋转四元数，Qy(0)为绕y轴转过0角度的旋 转四元数;@表示四元数乘法。
[0016] 机动引导模式:在相机摆镜异常时，通过姿态机动调整相机光轴指向，W代替摆镜 转动;此时卫星首先完成转角为2(辦-Azj)的滚动姿态机动，其中稱和&ZS分别为目标摆 角和实际摆角，此时基准姿态qtk的基准姿态四元数为：
[0018]优选地，为扩大侦查和相机成像范围，还包括如下步骤:预先偏置一个基准姿态 Qck,在目标点确定后对基准姿态Qck进行偏流角精修;所述对基准姿态Qck进行偏流角精修具 体为:根据基准姿态Qck的姿态值得出当前偏流角，姿轨控系统在基准姿态Qck的基础上，绕 当前光轴旋转一个当前偏流角。
[0019]优选地，所述第二步具体为:姿轨控系统根据含摆镜卫星偏流角跟踪原理，通过收 到的偏流角e和摆镜摆角稱，计算偏流角修正四元数QT，所述偏流角修正四元数QT为：
[0021] 当收到的偏流角e和/或摆镜摆角稱超出相应阔值时，认为偏流角e和/或摆镜摆角 稱数据无效，则退出偏流角跟踪模式。
[0022] 优选地，所述第=步具体为:在第一步得到的基准姿态四元数的基础上，旋转第二 步得到的偏流角修正四元数，得到偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数qnr:
[0023] q〇r=q,k?^T
[0024] 所述偏流角跟踪控制的最终的目标姿态四元数Qdt为控制目标相对卫星轨道系的 姿态四元数。
[0025] 优选地，所述第四步具体为：
[0026] W巧螺积分四元数描述当前卫星本体相对卫星轨道系的姿轨控系统收到的实时 姿态四元数qnb，结合第S步得到的目标姿态四元数qor，计算控制偏差四元数qrb:
[0027]和6=恥;，@和6;
[002引控制偏差四元数qrb的矢部作为控制用姿态。
[0029]优选地，所述控制用姿态取控制偏差四元数的矢部的2倍，为：
[0031]根据控制用姿态，调用飞轮PI或飞轮PD控制算法进行姿态跟踪控制，至此完成了 绕空间轴的偏流角跟踪控制;其中，qrb(l)、qrb(2)、qrb(3)分别为误差四元数邮矢量部分，即 qrb=[qrb(0)qrb(l)qrb(2)qrb(3)]〇
[0032]优选地，巧螺积分四元数为:星敏可用状态下，每拍更新的星敏四元数。
[0033]本发明提供的绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，根据偏流角计算对应的基准姿 态、相机摆镜摆角和相机偏流角，W四元数描述卫星目标姿态，结合当前卫星姿态进行控制 偏差四元数计算，而控制用姿态将创新性的直接采用控制偏差四元数的矢部，W此完成绕 空间轴的偏流角跟踪控制。考虑到侦查系统确定目标点到相机成像仅30s，为扩大侦查和相 机成像范围，可通过预先偏置一个基准姿态，在目标点确定后进行偏流角精修。
[0034]具体可分为如下模式实现：
[0035]快速引导模式:快速引导模式下，姿轨控系统始终跟踪星下点区域的偏流角，虽然 视场边缘的成像质量稍有降低，但尽可能的扩大了可引导成像的区域，提高了目标的成像 概率。
[0036]详查引导模式:在侦察系统确定目标点后控制摆镜摆动W实现相机视轴偏置，由 于摆镜摆动导致偏流角突变量在0~0.5°W内，为了保证尽可能的清晰成像，对每一个目标 成像前，都进行摆镜摆动引起的偏流角突变量精修，在任务规划时间预算上，预留20s给姿 轨控系统修正此突变量。
[0037] 机动引导模式:摆镜是一个活动部件，且存在单点失效隐患，为了保证在摆镜故障 情况下仍能够最大限度的对自主任务规划的整个流程进行在轨验证，设计了姿态机动引导 模式。该模式下，依靠绕滚动轴姿态机动尽可能的替代摆镜，进行视场调整。由于卫星平台 无法像摆镜那样在3s内完成最大15°的角度调整，因此需事先完成姿态机动并偏置。
[0038]本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0039] W往卫星姿轨控分系统仅具备绕特定卫星主轴进行姿态旋转，W跟踪星下点偏流 角；本发明通过W四元数来描述目标姿态基准，并用四元数简化描述卫星同姿态基准之间 的姿态偏差，一步到位的实现绕空间轴偏流角跟踪控制。
【附图说明】
[0040] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0041] 图1为偏流角物理意义示意图；
[0042] 图2为W往卫星偏流角跟踪示意图；
[0043]图3为含摆镜卫星偏流角跟踪示意图；
[0044] 图4为卫星机动后跟踪偏流角示意图。
【具体实施方式】
[0045]下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在W本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进，运些都属于本发明的保 护范围。
[0046] 实施例
[0047]本实施例提供了一种绕空间轴的偏流角跟踪控制方法，采用如下步骤：
[0048]第一步为根据姿态引导模式，配合星上自主任务规划程序，进行基准姿态四元数 计算；
[0049]第二步根据摆镜摆角和相机偏流角，进行偏流角修正四元数计算；
[0050]第=步在基准姿态四元数和偏流角修正四元数的基础上，进行偏流角跟踪控制的 最终的目标四元数计算；
[0051] 第四步根据姿态确定模块给出的