一种深空探测器自主姿态机动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自主姿态机动控制方法，属于航天器姿态控制技术领域，
【背景技术】
[0002] 探测器在轨运行期间需要通过大量的姿态机动来完成不同姿态指向之间的切换 工作；同时，由于探测器任务的多样性，某些探测器的姿态机动过程存在着一定的空间指向 约束。其次，探测器的控制输入也受到约束。这种约束主要是由两个因素造成的：一是执行 机构提供的力矩幅值有限；二是当执行机构发生部分损坏后。第三，由于某些角速度敏感器 的量程有限，要求探测器的角速度必须保持在某个范围内，这就形成了角速度约束。面对以 上诸多约束，姿控技术必须要得到相应的改进才能满足航天任务的发展需求。
[0003] 针对这一问题，Mengali G, Quarta A A 在 "Spacecraft Control with Constrained Fast Reorientation and Accurate Pointing" 一文中利用势能函数法求解 该问题，这种方法计算简单，对探测器上资源要求较少，但是该方法很难处理有界控制输入 的问题。
[0004] Cheng Xiaojun, Cui Hutao, Cui Pingyuan, Xu Rui 在"Large angular autonomous attitude maneuver of deep spacecraft using pseudospectral method，'一文中利用伪 谱法来求解该问题，较好地考虑了全局性能，却因为伪谱法是通过非一致节点离散化处理 动力学递推，很难考虑到节点之间的路径约束，容易导致节点间路径违反几何约束。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是在满足探测器面临的各种复杂约束条件下，缩短选出 最优规划路径的时间，提高探测器从起始姿态机动到目标姿态的效率。本发明公开的一种 深空探测器自主姿态机动控制方法，在满足探测器面临的各种复杂约束条件下，能够快速 地使探测器从起始姿态机动到目标姿态。所述的各种复杂约束包括动力学约束、实际工程 约束、几何约束。
[0006] 本发明是通过下述技术方案实现的：
[0007] 本发明公开的一种深空探测器自主姿态机动控制方法，以ORRT (Optimized Rapidly Exploring Random Tree)算法作为路径规划方法，对姿态空间的一致分布节点进 行随机采样，然后进行权衡择优扩展路径，以贪婪扩展方式在安全空间中增量扩展，在探测 器本体坐标系下分别建立探测器姿态机动动力学约束模型、实际工程约束模型和探测器几 何约束模型，得到满足约束的路径节点和生成节点的控制力矩，进而生成探测器姿态机动 路径和所需要的控制力矩，按照生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩实现探测器 机动到目标姿态。本发明不仅考虑了工程中面临的实际约束，而且充分满足了探测器面临 的动力学约束和几何约束，缩短选出最优规划路径的时间，提高探测器从起始姿态机动到 目标姿态的效率。
[0008] 本发明公开的一种深空探测器自主姿态机动控制方法，具体实施步骤为：
[0009] 步骤一：根据当时姿态机动时刻星历时刻，确定出相关明亮天体在惯性系下的表 示A，然后确定惯性系到探测器本体坐标系下的姿态转换矩阵C bi，因此可以表示出明亮天 体在探测器本体系下的位置矢量vB;
[0010] 根据探测器自身安装特性，确定出敏感器在探测器本体系下的位置矢量rB。
[0011] 步骤二：建立探测器姿态机动动力学约束模型，建立工程中面临的实际工程约束 模型。建立探测器面临的几何约束模型。具体分三步：
[0012] 第一步：建立探测器姿态机动动力学约束模型。
[0013] 姿态运动学和动力学方程表示如下：
【主权项】
1. 一种深空探测器自主姿态机动控制方法，其特征在于：以ORRT (Optimized Rapidly Exploring Random Tree)算法作为路径规划方法，对姿态空间的一致分布节点进行随机采 样，然后进行权衡择优扩展路径，以贪婪扩展方式在安全空间中增量扩展，在探测器本体坐 标系下分别建立探测器姿态机动动力学约束模型、实际工程约束模型和探测器几何约束模 型，得到满足约束的路径节点和生成节点的控制力矩，进而生成探测器姿态机动路径和所 需要的控制力矩，按照生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩实现探测器机动到目 标姿态。
2. 如权利要求1所述的一种深空探测器自主姿态机动控制方法，其特征在于：具体实 现步骤如下， 步骤一：根据当时姿态机动时刻星历时刻，确定出相关明亮天体在惯性系下的表示rp 然后确定惯性系到探测器本体坐标系下的姿态转换矩阵Cbi，因此可以表示出明亮天体在探 测器本体系下的位置矢量v B; 根据探测器自身安装特性，确定出敏感器在探测器本体系下的位置矢量rB; 步骤二：建立探测器姿态机动动力学约束模型，建立工程中面临的实际工程约束模型； 建立探测器面临的几何约束模型；具体分三步： 第一步：建立探测器姿态机动动力学约束模型； 姿态运动学和动力学方程表示如下：
J ω = T- ω X J ω (2) 其中，q = [qQ, qp q2, q3]T，满足归一化约束I I q I 12= 1，_2表示2-范数；ω = [ωι，ω2, ω3]τ是航天器相对惯性系的角速度在本体系下的表示，而
J = diag(J1, J2, J3)表不航大器相对本体糸的惯性矩阵，u = LT1, Τ2, Τ3]τ为控制力矩在 本体系下的分量； 第二步：建立工程中面临的实际工程约束模型；所述的实际工程约束包括控制力矩有 界约束和角速度有界约束； 由于在实际工程中，控制力矩有界约束表示为： TiI ^ yTi (4) 在姿态机动过程中，由于测量元件存在测量范围或者为了某些仪器的正常工作，需要 将角速度限幅在一定范围内，角速度有界约束表示为： ?il Y ω? (5) 第三步：建立几何约束模型； rBvB ^COSe (6) 其中，rB表示敏感元件在本体系下的方向矢量，vB为强光天体在本体坐标下的方向矢 量为了避免航天器在机动过程中，强光天体光线进入到光学敏感元件的视场内，必须要保 证此类敏感器件的视线方向矢量与强光天体方向矢量之间的夹角不能低于阈值Θ ; 将（6)式转换成四元数表示形式 vB=cBlrI = rI-2^qrI +2?iTii +2?0 ([fI x]i) (7) 其中，^表示探测器到强光天体的方向矢量在惯性系下的分量，Cbi表示航天器的姿态 余弦矩阵； 其中，fl= [q i，q2, q3]T为四元数矢量部分；[r iX]为叉乘矩阵，具体形式为
以下形式相同；将（6)表示成更加紧凑的形式，得到（9)式中的二次约束形式； qTAq 彡 O (9) 其中，
步骤三：结合上述步骤二提出的各种复杂约束，利用ORRT规划算法得出自主姿态机动 控制方法； ORRT是在一致姿态采样空间内的贪婪扩展过程，包括随机目标节点采样、邻近节点计 算以及新节点扩展；首先进行初始化，然后生成规划空间，在此之前必须要选取有效的度量 函数： P = iJ OJc (11) 其中&为两姿态四元数间偏差的矢部，ω 两角速度间的偏差； 然后在规划空间内生成M个随机节点，然后根据评价函数f(q，w)进行优化筛选，找出 最近的节点进行扩展； f{q,w) = ^cuj.. I-(12) 其中，a和b为加权矩阵； 优化出最近节点后进行扩展，此时应该考虑动力学部分； 将状态方程（1)和（2)进行一阶Euler线性化， q(k+l) = q(k) + Δ T(0. 5Q(k) ω (k+1)) (13) J ω (k+1) = J ω (k) + Λ T (u (k+1) - ω (k) X J ω (k)) 进而表示成更加紧凑的线性约束表达式 FX = E (14) 其中， X = [u(k+l)T, ω (k+l)T, q(k+l)T]T (15)
由此计算得到扩展后新的节点，然后进行判断是否满足步骤二的约束，假如不满足，重 新进行搜索，假如满足再判断是否到达目标姿态，若到达目标姿态则停止搜索返回整个结 果，若没有到达目标姿态继续进行搜索；搜索结束后会得到满足约束的路径节点和生成节 点的控制力矩；满足约束指满足动力学约束、实际工程约束、几何约束等各种复杂约束； 步骤四：利用设计出的姿态机动方法，实现从起始姿态机动到目标姿态；在给出探测 器的起始姿态和目标姿态条件下，通过上述步骤一、二、三规划出满足约束的路径节点和生 成节点的控制力矩，可以生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩，按照生成探测器 姿态机动路径和所需要的控制力矩实现探测器机动到目标姿态。
【专利摘要】本发明公开的一种深空探测器自主姿态机动控制方法，涉及自主姿态机动控制方法，属于航天器姿态控制技术领域。本发明以ORRT算法作为路径规划方法，对姿态空间的一致分布节点进行随机采样，然后进行权衡择优扩展路径，以贪婪扩展方式在安全空间中增量扩展，在探测器本体坐标系下分别建立探测器姿态机动动力学约束模型、实际工程约束模型和探测器几何约束模型，得到满足约束的路径节点和生成节点的控制力矩，进而生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩，按照生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩实现探测器机动到目标姿态。本发明在满足探测器面临的各种复杂约束条件下，缩短规划路径时间，提高探测器从起始姿态机动到目标姿态的效率。
【IPC分类】G05D1-08
【公开号】CN104635740
【申请号】CN201410815372
【发明人】徐瑞, 武长青, 崔平远, 朱圣英, 尚海滨
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月23日