一种运动目标的指向跟踪控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种运动目标的指向跟踪控制方法，属于卫星控制领域。
【背景技术】
[0002] 卫星利用姿态机动控制卫星指向的技术是个新领域，利用姿态机动使得卫星指向 对运动目标进行跟踪的技术还未见报道。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种运动目标的指向跟踪控 制方法，同时控制卫星的姿态和角速度，在控制过程中利用卫星目标角速度计算出前馈力 矩，增强控制器响应速度，提高控制精度。利用本发明可以控制卫星的指向轴完成对运动目 标进行跟踪。
[0004] 本发明解决的技术方案为：一种运动目标的指向跟踪控制方法，包括确定目标姿 态四元数序列阶段、确定目标姿态角速度序列阶段和利用比例、微分、前馈进行控制阶段；
[0005] 所述的确定目标姿态四元数序列阶段步骤如下：
[0006] (1)运动目标在卫星轨道坐标系XoYoZo中的运动，形成了一个时域上的视线方向 序列，包括了各个时刻运动目标的视线方向；跟踪运动目标的载荷安装在卫星本体坐标系 的Xb轴或Yb轴或Zb轴上，将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴作为卫星向运动目 标的指向轴；
[0007] (2)选择卫星目标姿态的转序，该转序为第一次和第二次将安装有跟踪运动目标 的载荷的卫星本体轴以外的两个卫星本体轴先转动，第三次转动卫星向运动目标的指向 轴，使卫星向运动目标的指向轴指向运动目标；建立一个目标姿态坐标系O-X tYtZt，目标姿 态坐标系原点0为卫星质心，将卫星向运动目标的指向轴作为Z t，根据卫星目标姿态 的转序，确定目标姿态坐标系的Xt轴和Y τ轴；
[0008] (3)计算步骤（2)的卫星目标姿态坐标系相对于卫星轨道坐标系的姿态角，即卫 星第一次转动和第二次转动的姿态角根据步骤（1)运动目标的视线方向和步骤（2)卫星目 标姿态的转序计算，第三次转动的姿态角置为〇 ;根据这三个姿态角得到卫星的目标姿态， 再根据卫星的目标姿态计算出该时刻相应的目标姿态四元数；
[0009] (4)根据步骤⑶计算得到的目标姿态四元数，按照时间顺序排列，得到目标姿态 四元数序列[q^aj，…q mQ(tk)，…，qmQ(tmd) ]，h为卫星对运动目标的指向跟踪过程的初始 时刻，tk为卫星对运动目标的指向跟踪过程中的某时刻，t end为卫星对运动目标的指向跟踪 过程的结束时刻，qm()(t)为t时刻的目标姿态四元数；
[0010] 所述的确定目标姿态角速度序列阶段步骤如下：
[0011] (5)对步骤（4)的目标姿态四元数序列中相邻时刻的目标姿态四元数进行差分计 算，得到每个时刻卫星的目标角速度；
[0012] (6)将步骤（5)的每个时刻卫星的目标角速度按照时间顺序排列，得到目标姿态 角速度序列[?m0(t0)，...《m0(tk)，...，《 m0(tend)]，ωπ〇α)为t时亥Ij的目标姿态角速度；
[0013] 所述的利用比例、微分、前馈进行控制阶段步骤如下：
[0014] (7)根据步骤（4)的目标姿态四元数序列和步骤（6)的目标姿态角速度序列，结合 卫星当前的姿态四元数和姿态角速度，按照比例+微分+前馈控制算法设计控制器。
[0015] 本发明与现有技术的优点在于
[0016] (1)本发明同时控制卫星的姿态和角速度，在控制过程中利用卫星目标角速度计 算出前馈力矩，增强控制器响应速度，提高控制精度。利用本发明可以控制卫星的指向轴完 成对运动目标进行跟踪。
[0017] (2)本发明的步骤（7)可以提供较大带宽的控制器，且用前馈可以进一步提高控 制器的动态响应速度。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的卫星目标姿态的示意图；
[0019] 图2为本发明利用卫星目标姿态四元数求解卫星目标姿态角速度的示意图；
[0020] 图3为本发明的流程图；
[0021] 图4为本发明的效果说明，在跟踪运动目标的过程中利用本发明控制的卫星的姿 态角曲线；
[0022] 图5为本发明的效果说明，在跟踪运动目标的过程中利用本发明控制的卫星的姿 态角速度曲线；
[0023] 图6为本发明的效果说明，在跟踪运动目标的过程中利用本发明控制的卫星的指 向轴指向目标方向的误差曲线。
【具体实施方式】
[0024] 本发明的基本思路为：提供一种运动目标的指向跟踪控制方法，该方法首先根据 运动目标的运动轨迹，规划出卫星目标姿态四元数的时间序列，相邻时刻的四元数之间的 机动按绕特征主轴最短路径进行机动规划，控制过程中同时考虑姿态误差和角速度误差， 控制器设计引入前馈力矩增加响应速度，从而实现卫星对运动目标的指向跟踪的精确控 制。
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0026] -种运动目标的指向跟踪控制方法，包括确定目标姿态四元数序列阶段、确定目 标姿态角速度序列阶段和利用比例+微分+前馈进行控制阶段，
[0027] 所述的确定目标姿态四元数序列阶段步骤如下：
[0028] (1)运动目标在卫星轨道坐标系XoYoZo中的运动，形成了一个时域上的视线方向 序列，包括了各个时刻运动目标的视线方向；跟踪运动目标的载荷安装在卫星本体坐标系 的Xb轴或Yb轴或Zb轴上，将安装有跟踪运动目标的载荷的卫星本体轴作为卫星向运动目 标的指向轴；
[0029] (2)选择卫星目标姿态的转序，该转序为第一次和第二次将安装有跟踪运动目 标的载荷的卫星本体轴以外的两个卫星本体轴先转动，第三次转动卫星向运动目标的指 向轴，使卫星向运动目标的指向轴指向运动目标；如图1所示，建立一个目标姿态坐标系 O-XtYtZt，卫星质心为目标姿态坐标系原点0, Z1^J卫星向运动目标的指向轴，X τ轴和Y τ轴则 根据Zt和卫星目标姿态的转序进行确定；
[0030] (3)计算步骤（2)的卫星目标姿态坐标系相对于卫星轨道坐标系的姿态角，即卫 星第一次转动和第二次转动的姿态角根据步骤（1)运动目标的视线方向和步骤（2)卫星目 标姿态的转序计算，第三次转动的姿态角置为〇 ;根据这三个姿态角得到卫星的目标姿态， 再根据卫星的目标姿态计算出该时刻相应的目标姿态四元数；下面给出一个算例表明目标 姿态的计算过程：
[0031] 定义Om为卫星向运动目标的指向，在卫星轨道坐标系的表示为
，其中 〇mX、〇my、〇ηιΛ 〇 m在卫星轨道坐标系X轴、Y轴、Z轴的分量。
[0032] 按照绕卫星本体坐标系的X轴、Y轴、Z轴顺序先后转动的方式为卫星目标姿态的 转序，则根据卫星姿态动力学，可知卫星在该转序下目标姿态的姿态角为：
[0033]
[0034] 式中只》、θ^、分别为卫星的目标姿态的滚动角、俯仰角、偏航角。根据卫星的 目标姿态的滚动角、俯仰角、偏航角，可以得到卫星的目标姿态四元数qm()。
[0035] (4)根据步骤⑶计算得到的目标姿态四元数，按照时间顺序排列，得到