视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法

摘要

本发明提供了一种视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法，包括以下步骤：1)给定的卫星轨道状态、地面点空间坐标、相机参数以及指定视场方向对应的当地方向矢量；2)计算期望的凝视姿态四元数和角速度；3)计算误差四元数与误差角速度；4)设计飞轮控制律。通过本发明可实现视场方向可调卫星对地凝视姿态控制，既保证图像在相机视场中不发生旋转，又确保凝视成像过程中相机视场某一方向始终指向设计的当地方向矢量，便于进行图像观察与分析。该方法算法简单，运算量小，易于工程实现，具有较高的指向控制精度和较好的指向稳定度。

主权项

一种视场方向可调的卫星对地凝视姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取卫星轨道状态、地面点空间坐标、相机参数，指定视场方向对应的当地方向矢量卫星轨道状态为X_S＝[R_S,V_S]，地面点T的经纬高坐标为(L_T,B_T,H_T)，R_S为卫星的地心惯性系位置，V_S为卫星的地心惯性系速度，L_T为地面点的地理经度，B_T为地面点的地理纬度，H_T为地面点的高程；设定相机投影中心在卫星体坐标下位置为相机焦距为f，相机在星上的安装矩阵为指定视场方向对应的当地方向矢量在当地的地理方位角始终保持为指定的κ值，确定当地方向矢量端点地面点P的经纬高坐标(L_P,B_P,H_P)；步骤S2：计算卫星的凝视期望四元数与期望角速度步骤S3：获取星体实际姿态四元数和星体实际姿态角速度，计算期望四元数与星体实际姿态四元数之间的误差四元数，计算期望角速度与星体实际姿态角速度之间的误差角速度按公式(11)计算误差四元数${\bar{q}}_e={\bar{q}}_r^{*}\otimes \bar{q}---\left(11\right)$其中，为的共轭四元数，为星体实际姿态四元数，表示四元数乘法，其中q_e0为误差四元数标部，q_e＝[q_e1 q_e2 q_e3]^T为误差四元数矢量部分；按公式(12)计算误差角速度ω_e＝ω‑ω^*   (12)其中，ω为星体实际角速度；步骤S4：控制律设计：按公式(13)计算飞轮控制力矩$L_c=\left[\begin{array}{c}{L}_x\\ L_y\\ L_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-k_p^x{q}_{e1}-k_d^x{\omega }_{ex}\\ -k_p^y{q}_{e2}-k_d^y{\omega }_{ey}\\ -k_p^z{q}_{e3}-k_d^z{\omega }_{ez}\end{array}\right]---\left(13\right)$其中，为误差四元数控制系数，q_ei(i＝1,2,3)为误差四元数的矢量部分，为角速度偏差系数，ω_ei(i＝x,y,z)为误差角速度，按公式(13)得到的控制力矩对卫星上的飞轮进行控制，并调整卫星姿态。