一种基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，属于非合作航天器导航【技术领域】，包括一种基于Lyapunov原理的虚拟控制的滑模控制器；通过立体视觉系统得到的目标星绝对姿态作为控制目标；根据目标卫星的运动特点建立其虚拟卫星运动模型；将虚拟卫星的动力学模型作为控制对象，得到虚拟卫星的姿态参量；以虚拟卫星估计的姿态参量和立体视觉系统得到的目标星绝对姿态作为控制输入，经虚拟滑模控制器计算出虚拟转动力矩作用在虚拟卫星的运动模型上，实现利用虚拟控制的滑模控制器对目标卫星姿态参数的估计。本发明计算量少；在状态量初始误差较大或存在系统误差时依然能较快的收敛速度和较高精度，因而能够满足高性能导航系统的需求。
【专利说明】一种基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于虚拟滑模控制的卫星姿态跟踪方法，属于非合作航天器导航
【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在很近的距离上，航天器相对非合作航天器自由、灵巧、可靠的飞行能力具有重大 的科学和应用价值，已经引起世界各国的重视。
[0003] 所谓非合作目标，即目标卫星本身未安装对接图案标识和对接口 /捕获机钩，或 姿轨不可控而在空间自由翻滚。不能提供有效位置、姿态等导航信息，且自身不能进行控 制。空间非合作目标卫星的自主接近、悬停与捕获操作需要解决的一项关键技术就是非合 作目标卫星的自主接近、悬停与在轨捕获实时的相对位置和相对姿态。利用小卫星对非合 作卫星的在轨操作现已取得了初步进展，例如，美国的XSS-Il试验项目和SUMO计划，德国 DLR开展的DEOS项目以及欧洲的TECSAS项目。
[0004] 人类航天活动的不断发展与深化，航天器的临近空间操作已经成为了未来发展趋 势之一，所以航天器尤其是非合作航天器之间的相对导航即相对位置相对姿态的测量是实 现该类任务的前提与关键。立体视觉技术的研究使得计算机具有通过一幅或多幅图像认识 周围环境信息的能力。该系统仅通过对目标特征点的识别就能够提供主从星间的相对状 态，期间不需要任何外界的实时动态信息。针对上述非合作航天器，立体视觉系统因其低能 耗、高性价比等特性已经成为常用的3D传感器。
[0005] 滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制，具有快速响应、对参数变化及扰动不 灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单等优点。由于不依赖于外部扰动和内部参数的摄 动，滑模变结构控制在航天器的姿态控制上得到了广泛的应用。
[0006] 目前，针对基于立体视觉的近距离非合作航天器的姿态估计国内一些学者取得了 一些成果，在仅获得主星的外观特征和一些静态参数的情况下，能自主进行相对位置和姿 态的确定，但也存在一些较理想的假设，比如推导的模型讨论的是目标卫星的本体系与轨 道系重合的情况；而且经典的滤波方法对模型精确性要求都较高，在初始误差较大时，存在 估计效果急剧下降和滤波器收敛速度缓慢的问题，且在迭代过程中都需更新状态协方差矩 阵，计算量较大。
【发明内容】
[0007] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于虚拟滑模控制 的非合作航天器姿态估计方法，该方法针对非合作目标特点，在滑模控制方法的基础上提 出了一种虚拟控制的思想，将非合作卫星的姿态估计转换成虚拟控制问题，继承滑模控制 的优势，在减少计算量的前提下，能够在对象存在系统误差时保证估计的鲁棒性，克服初始 误差较大时传统方法的局限性，对非合作卫星在轨操作的可靠实现提供技术支持。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于虚拟滑模控制的非合作航 天器姿态估计方法，包括一种基于Lyapunov原理的虚拟控制的滑模控制器；将立体视觉系 统输出的实时观测数据转化为目标星绝对姿态作为滑模控制器的控制目标；根据目标卫星 是非合作卫星，而非合作卫星失控后最终近似围绕一个定轴做旋转的运动特点，建立虚拟 卫星运动模型；滑模控制器将虚拟卫星的动力学模型作为控制对象，得到虚拟卫星的姿态 参量；以虚拟卫星估计的姿态参量和立体视觉系统得到的目标星绝对姿态作为滑模控制 器的控制输入，滑模控制器根据控制输入计算出虚拟转动力矩并作用在虚拟卫星运动模型 上；使得虚拟卫星的姿态与观测姿态同步，实现利用虚拟控制的滑模控制器对目标卫星姿 态参数的估计。
[0009] 具体包括以下步骤：
[0010] 步骤一、通过追踪星上的立体视觉系统获取目标卫星相对追踪星的相对位姿信 息；然后根据该目标卫星相对追踪星的相对位姿信息结合目标星的结构信息，将目标卫星 相对追踪星相对姿态信息转化为目标卫星相对惯性系的绝对姿态信息；然后通过目标卫星 的绝对姿态信息差分推算出目标卫星的观测角速度；
[0011] 步骤二，由于目标星卫星是非合作卫星，根据非合作卫星最终近似围绕一个定轴 做旋转的运动特点，建立用来描述虚拟卫星运动的虚拟卫星模型，估计虚拟卫星的姿态参 数；所述虚拟卫星模型包括目标卫星姿态运动学模型和姿态动力学模型；所述虚拟卫星的 姿态参量包括目标卫星的估计四元数和估计角速度；
[0012] 步骤三、根据步骤一中得到的目标卫星的绝对姿态信息和步骤二中得到的目标星 姿态的估计四元数，建立四元数误差模型，从而得到目标星的误差四元数；根据步骤一中得 到的目标卫星的观测角速度、步骤二中得到的目标星姿态动力学模型以及目标星的误差四 元数，建立角速度误差模型，从而得到角速度误差；
[0013] 步骤四、将虚拟反馈思想引入滑模控制器，设计基于Lyapunov原理的虚拟滑模控 制器，将步骤三得到的目标星的误差四元数和角速度误差代入到虚拟滑模控制器，计算出 虚拟控制量转动力矩"作用"在姿态动力学模型上，以消除虚拟卫星姿态与测量姿态之间的 偏差，修正模型估计值，使得虚拟卫星的姿态与观测值同步，最终实现对目标卫星姿态参数 的估计。
[0014] 所述步骤一中通过立体视觉系统观测的数据求解得出目标卫星的绝对姿态信息 的方法包括以下步骤：
[0015] 步骤一一，通过追踪星上的立体视觉系统得到同一目标卫星的两幅图像数据，采 用surf算法对两幅图像上的卫星表面特征点进行提取和匹配，并输出同一特征点在两幅 图像上相应的像面坐标；
[0016] 步骤一二，基于视差原理对像面上成功配对的特征点进行3D重构，利用平行式双 目立体视觉深度恢复公式，获得特征点相对于追踪星本体坐标系的空间坐标Pcd ;
[0017] 步骤一三，从步骤一二获取的空间坐标中选取三个空间坐标S1, S2, S3，建立特征点 坐标系，以特征点S2为坐标原点Os，向量S2S1为Z s轴，以垂直于特征点平面且背离目标星质 心的方向为Xs轴，建立特征点坐标系Os-XsYsZ s，同时可以确定三个特征点在特征点坐标系 的坐标Psi;
[0018] 步骤一四，根据追踪星本体坐标系和特征点坐标系,建立特征点在特征点坐标系 与追踪星本体系间的转换关系公式=Pcd = RPsi+T，其中R和T分别为两坐标系的姿态转换 矩阵和平移矢量；同时根据目标星的结构，确定目标星质心在特征点坐标系中的坐标，从而 推算出目标星相对追踪星的相对姿态；
[0019] 步骤一五，根据追踪星的姿态信息，将步骤一四得到的相对姿态转化为目标星的 绝对姿态。
[0020] 所述步骤二中目标星姿态的估计四元数的计算方法，包括以下步骤：
[0021] 步骤二一，根据步骤二中根据非合作卫星最终近似围绕一个定轴做旋转的运动特 点，建立以四元数描述的目标星姿态运动学模型和姿态动力学模型；
[0022] 步骤二二，初始时，通过观测值计算的观测角速度代替估计角速度代入目标星姿 态运动学模型，得到目标星姿态的估计四元数；其他时刻时，将估计角速度代入目标星姿态 运动学模型，推算目标星姿态的估计四元数。
[0023] 所述步骤四中通过虚拟滑模控制器来"控制"虚拟卫星的姿态与观测值同步，包括 以下步骤：
[0024] 步骤四一，滑模面设计：根据步骤三中得到的目标星的误差四元数和角速度误差 定义切换函数，并校验滑模面滑模发生条件；
[0025] 步骤四二，趋近律设计：根据滑模可达性条件，设计滑模趋近律；
[0026] 步骤四三，反馈力矩求解：首先将步骤三中得到的目标星的误差四元数和角速度 误差代入步骤四一中的切换函数，然后结合步骤四二设计的趋近律，计算出滑模控制器的 虚拟滑模控制反馈值，该反馈值即为转动力矩，将该反馈值"作用"在姿态动力学模型上， 以消除虚拟卫星姿态与测量姿态之间的偏差，最终达到虚拟卫星的姿态与观测姿态跟踪同 止 /J/ 〇
[0027] 所述步骤四一中的切换函数为：s = c〇e+kqel3 ;其中：s = [sx, sy, sz]T，k = (IiagGc1, k2, k3)，kpo, sx, sy, sz分别为切换函数在三个轴的分量，COe为目标星估计角速度与 观测角速度误差，q6l3为q6的矢量部分，q6为误差四元数。
[0028] 所述滑模发生条件为b < 0。
[0029] 所述步骤四二中趋近律包括指数项-Ks和等速趋近项-e sgn (s)，即：
【权利要求】
1. 一种基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在于：包括一种基于 Lyapunov原理的虚拟控制的滑模控制器；将立体视觉系统输出的实时观测数据转化为目 标星绝对姿态作为滑模控制器的控制目标；根据目标卫星是非合作卫星，而非合作卫星失 控后最终近似围绕一个定轴做旋转的运动特点，建立虚拟卫星运动模型；滑模控制器将虚 拟卫星的动力学模型作为控制对象，得到虚拟卫星的姿态参量；以虚拟卫星估计的姿态参 量和立体视觉系统得到的目标星绝对姿态作为滑模控制器的控制输入，滑模控制器根据控 制输入计算出虚拟转动力矩并作用在虚拟卫星运动模型上；使得虚拟卫星的姿态与观测姿 态同步，实现利用虚拟控制的滑模控制器对目标卫星姿态参数的估计。
2. 根据权利要求1所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤一、通过追踪星上的立体视觉系统获取目标卫星相对追踪星的相对位姿信息；然 后根据该目标卫星相对追踪星的相对位姿信息结合目标星的结构信息，将目标卫星相对追 踪星相对姿态信息转化为目标卫星相对惯性系的绝对姿态信息；然后通过目标卫星的绝对 姿态信息差分推算出目标卫星的观测角速度； 步骤二，由于目标星卫星是非合作卫星，根据非合作卫星最终近似围绕一个定轴做旋 转的运动特点，建立用来描述虚拟卫星运动的虚拟卫星模型，估计虚拟卫星的姿态参数；所 述虚拟卫星模型包括目标卫星姿态运动学模型和姿态动力学模型；所述虚拟卫星的姿态参 量包括目标卫星的估计四元数和估计角速度； 步骤三、根据步骤一中得到的目标卫星的绝对姿态信息和步骤二中得到的目标星姿态 的估计四元数，建立四元数误差模型，从而得到目标星的误差四元数；根据步骤一中得到 的目标卫星的观测角速度、步骤二中得到的目标星姿态动力学模型以及目标星的误差四元 数，建立角速度误差模型，从而得到角速度误差； 步骤四、将虚拟反馈思想引入滑模控制器，设计基于Lyapunov原理的虚拟滑模控制 器，将步骤三得到的目标星的误差四元数和角速度误差代入到虚拟滑模控制器，计算出虚 拟控制量转动力矩"作用"在姿态动力学模型上，以消除虚拟卫星姿态与测量姿态之间的偏 差，修正模型估计值，使得虚拟卫星的姿态与观测值同步，最终实现对目标卫星姿态参数的 估计。
3. 根据权利要求2所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在 于：所述步骤一中通过立体视觉系统观测的数据求解得出目标卫星的绝对姿态信息的方法 包括以下步骤： 步骤一一，通过追踪星上的立体视觉系统得到同一目标卫星的两幅图像数据，采用surf算法对两幅图像上的卫星表面特征点进行提取和匹配，并输出同一特征点在两幅图像 上相应的像面坐标； 步骤一二，基于视差原理对像面上成功配对的特征点进行3D重构，利用平行式双目立 体视觉深度恢复公式，获得特征点相对于追踪星本体坐标系的空间坐标Pu; 步骤一三，从步骤一二获取的空间坐标中选取三个空间坐标Si，S2,S3，建立特征点坐标 系，以特征点S2为坐标原点0S，向量S2Si为Zs轴，以垂直于特征点平面且背离目标星质心的 方向为Xs轴，建立特征点坐标系0S-XSYSZS，同时可以确定三个特征点在特征点坐标系的坐 标Psi ; 步骤一四，根据追踪星本体坐标系和特征点坐标系，建立特征点在特征点坐标系与追 踪星本体系间的转换关系公式：P。，=RPsi+T，其中R和T分别为两坐标系的姿态转换矩阵 和平移矢量；同时根据目标星的结构，确定目标星质心在特征点坐标系中的坐标，从而推算 出目标星相对追踪星的相对姿态； 步骤一五，根据追踪星的姿态信息，将步骤一四得到的相对姿态转化为目标星的绝对 姿态。
4. 根据权利要求3所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在 于：所述步骤二中目标星姿态的估计四元数的计算方法，包括以下步骤： 步骤二一，根据步骤二中根据非合作卫星最终近似围绕一个定轴做旋转的运动特点， 建立以四元数描述的目标星姿态运动学模型和姿态动力学模型； 步骤二二，初始时，通过观测值计算的观测角速度代替估计角速度代入目标星姿态运 动学模型，得到目标星姿态的估计四元数；其他时刻时，将估计角速度代入目标星姿态运动 学模型，推算目标星姿态的估计四元数。
5. 根据权利要求4所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在 于：所述步骤四中通过虚拟滑模控制器来"控制"虚拟卫星的姿态与观测值同步，包括以下 步骤： 步骤四一，滑模面设计：根据步骤三中得到的目标星的误差四元数和角速度误差定义 切换函数，并校验滑模面滑模发生条件； 步骤四二，趋近律设计：根据滑模可达性条件，设计滑模趋近律； 步骤四三，反馈力矩求解：首先将步骤三中得到的目标星的误差四元数和角速度误差 代入步骤四一中的切换函数，然后结合步骤四二设计的趋近律，计算出滑模控制器的虚拟 滑模控制反馈值，该反馈值即为转动力矩，将该反馈值"作用"在姿态动力学模型上，以消除 虚拟卫星姿态与测量姿态之间的偏差，最终达到虚拟卫星的姿态与观测姿态跟踪同步。
6. 根据权利要求5所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其 特征在于：所述步骤四一中的切换函数为：s=w^+kq# ;其中：s= [sx,sy,sz]T，k= diagG^l^klki>0，sx,sy,sz分别为切换函数在三个轴的分量，为目标星估计角速度 与观测角速度误差，q6l3为q6的矢量部分，q6为误差四元数。
7. 根据权利要求6所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在 于：所述滑模发生条件为h< ()。
8. 根据权利要求7所述的基于虚拟滑模控制的非合作航天器姿态估计方法，其特征在 于：所述步骤四二中趋近律包括指数项_Ks和等速趋近项_esgn(s)，即：
【文档编号】G01C21/24GK104406598SQ201410762858
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】于晓婷, 郁丰, 何真, 陈新龙, 卢欢, 王振宇, 朱海微 申请人:南京航空航天大学