本發(fā)明涉及一種用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，屬于航天器姿態(tài)機(jī)動軌跡規(guī)劃。

背景技術(shù)：

1、高機(jī)動成像衛(wèi)星是一種具備高度機(jī)動能力的衛(wèi)星，能夠在空間中快速地調(diào)整自身姿態(tài)，以適應(yīng)不同的觀測任務(wù)，從而提高對地面目標(biāo)的觀測效率和靈活性。高機(jī)動成像衛(wèi)星通常采用先進(jìn)的姿態(tài)控制技術(shù)及系統(tǒng)，例如采用大輸出力矩的控制力矩陀螺群通過角動量交換來精確快速的控制姿態(tài)機(jī)動。高機(jī)動成像衛(wèi)星快速地響應(yīng)姿態(tài)機(jī)動指令，實(shí)現(xiàn)同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像、同軌多條帶拼接成像、同軌多角度成像等多種成像模式。

2、高機(jī)動成像衛(wèi)星的主動推掃技術(shù)是一種先進(jìn)的在軌成像技術(shù)，通過主動的執(zhí)行姿態(tài)機(jī)動來獲取期望路勁下的地面目標(biāo)圖像。與傳統(tǒng)的被動推掃成像方式不同，主動推掃成像不單純依賴衛(wèi)星的軌道運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)地面圖像的連續(xù)采集，而是通過衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動來主動控制相機(jī)的空間指向，從而實(shí)現(xiàn)對地面目標(biāo)的快速成像。主動推掃技術(shù)特別適用于對非沿跡方向的狹長條帶目標(biāo)，如海岸線、邊界線、河流等的觀測，可以在單軌內(nèi)完成對這些目標(biāo)的成像，顯著提高成像效率。主動推掃技術(shù)還可以應(yīng)用于對區(qū)域目標(biāo)的多條帶拼接成像中，在相同的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對更大區(qū)域目標(biāo)的成像覆蓋。

3、衛(wèi)星從當(dāng)前姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行主動推掃的初值姿態(tài)角和角速度的過程被稱為姿態(tài)預(yù)置。姿態(tài)預(yù)置的軌跡需要事先規(guī)劃，在滿足多約束的前提下，軌跡的時長為指定值或是最小值。目前，一種常用的主動推掃的姿態(tài)預(yù)置的軌跡規(guī)劃方法是多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法。該方法利用多項(xiàng)式來描述衛(wèi)星在姿態(tài)機(jī)動過程中角度隨時間的變化規(guī)律，可以生成平滑且連續(xù)的姿態(tài)變化軌跡，使得衛(wèi)星在進(jìn)行姿態(tài)控制時，姿態(tài)閉環(huán)控制更加平穩(wěn)，避免因目標(biāo)姿態(tài)快速變化帶來的控制誤差增大甚至振蕩的問題。不過，多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法存在未充分發(fā)揮衛(wèi)星機(jī)動能力，和最大機(jī)動角速度計算困難等缺點(diǎn)。點(diǎn)對點(diǎn)正弦軌跡規(guī)劃方法也是一種常用的規(guī)劃方法，利用了正弦函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的平滑性來設(shè)計姿態(tài)機(jī)動軌跡加速和減速段，與中間的勻角速度段平滑連接，不過該方法只適用于兩端角速度為零的機(jī)動，即點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決了成像衛(wèi)星主動推掃初始姿態(tài)和角速度快速平穩(wěn)建立問題，從而顯著提高成像衛(wèi)星執(zhí)行主動推掃任務(wù)的能力和性能。

2、本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，包括：

4、運(yùn)動軌跡按時間順序分為消初速段、點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段、靜止段和角速度預(yù)置段，其中點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段分為加速子段、勻速子段、減速子段；

5、計算消初速段用時tdec，如果輸入指定了姿態(tài)機(jī)動的用時ttotal，且tdec大于ttotal，則規(guī)劃無解；

6、計算角速度預(yù)置段用時tasc，如果tdec+tasc≥ttotal，則規(guī)劃無解；

7、根據(jù)姿態(tài)機(jī)動初始時刻衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)和三軸角速度、姿態(tài)機(jī)動終端時刻衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)和三軸角速度，計算點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段初始和終端姿態(tài)四元數(shù)；

8、計算點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段的最大角速度、點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段的最大角加速度；進(jìn)一步確定加速子段和減速子段用時tacc、勻速子段用時tv；如果tdec+tasc+2tacc+tv>ttotal，則規(guī)劃無解，否則確定靜止段用時tsta、加速子段的結(jié)束時刻tm1、勻速子段的結(jié)束時刻tm2、點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段的結(jié)束時刻tm3；然后按照消初速段、點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段、靜止段和角速度預(yù)置段的順序，計算實(shí)時目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)、角速度和角加速度。

9、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：

10、(1)本發(fā)明方法相對現(xiàn)有的點(diǎn)對點(diǎn)正弦軌跡規(guī)劃方法，新增了3個階段，即消初速段、靜止段和角速度預(yù)置段，使得姿態(tài)機(jī)動軌跡規(guī)劃結(jié)果既能滿足初始和終端的姿態(tài)角約束，也能同時滿足角速度約束，姿態(tài)角和角速度軌跡平穩(wěn)連續(xù)，滿足角動量交換裝置的使用要求，實(shí)現(xiàn)了主動推掃任務(wù)的姿態(tài)預(yù)置功能。

11、(2)本發(fā)明方法將姿態(tài)機(jī)動規(guī)劃變量由現(xiàn)有方法的歐拉角改為姿態(tài)四元數(shù)，避免了歐拉角的奇異問題，將單軸姿態(tài)機(jī)動規(guī)劃改為三軸空間機(jī)動規(guī)劃，克服了現(xiàn)有方法的局限性，在軌使用更加方便、安全、靈活，既可以規(guī)劃軌道系下的姿態(tài)運(yùn)動軌跡，也可以規(guī)劃慣性系下的姿態(tài)運(yùn)動軌跡，拓展了應(yīng)用場景。

12、(3)本發(fā)明方法根據(jù)三軸允許的最大角速度和角加速度，以及每段實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸向，通過橢球包絡(luò)來規(guī)劃每段機(jī)動的最大角速度和角加速度，充分利用了衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動能力，保證了姿態(tài)機(jī)動的快速性。

13、(4)本發(fā)明方法既可由外部指定姿態(tài)機(jī)動的時長，也可以不指定，提高了應(yīng)用的靈活性。若指定時長則依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動能力自主判斷是否可以完成任務(wù)，當(dāng)可以時再給出規(guī)劃結(jié)果。

14、(5)本發(fā)明方法已經(jīng)過多星在軌驗(yàn)證，應(yīng)用于了成像衛(wèi)星對日轉(zhuǎn)主動推掃、對地轉(zhuǎn)主動推掃、主動推掃轉(zhuǎn)對日、主動推掃轉(zhuǎn)對地、主動推掃轉(zhuǎn)主動推掃等多種姿態(tài)機(jī)動場景，規(guī)劃結(jié)果用時短并且無安全風(fēng)險。

15、(6)利用本發(fā)明方法，成像衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)主動推掃姿態(tài)快速可靠建立和退出，使得同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像、多條帶拼接推掃、多角度成像能力顯著增強(qiáng)。

技術(shù)特征：

1.一種用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，消初速段用時tdec為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，角速度預(yù)置段用時tasc為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，計算點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段初始和終端姿態(tài)四元數(shù)包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，加速子段和減速子段用時tacc為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段中勻速子段用時tv為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，若tdec+tasc+2tacc+tv≤ttotal，則繼續(xù)按下式計算靜止段用時：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，如果輸入未指定姿態(tài)機(jī)動的用時ttotal，則靜止段用時tsta取為0；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，記當(dāng)前星上時間與姿態(tài)機(jī)動開始時刻的差為tm，根據(jù)tm的值來決定實(shí)時目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)q、目標(biāo)角速度ω和目標(biāo)角加速度a的計算公式：

10.一種存儲在非暫時性計算機(jī)可讀介質(zhì)上的計算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計算機(jī)程序產(chǎn)品包括用于實(shí)行如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法的程序代碼。

技術(shù)總結(jié)
一種用于成像衛(wèi)星主動推掃的四段式軌跡規(guī)劃方法，規(guī)劃的運(yùn)動軌跡按時間順序分為消初速段、點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段、靜止段和角速度預(yù)置段，其中點(diǎn)對點(diǎn)機(jī)動段又分為加速子段、勻速子段、減速子段三部分，消初速段、角速度預(yù)置段、加速子段和減速子段規(guī)劃的角加速度為正弦函數(shù)；然后確定各段的時間點(diǎn)和整個時間歷程的目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)、目標(biāo)角速度及目標(biāo)角加速度。

技術(shù)研發(fā)人員：張曉文,張晉,趙雪婷,諶穎,吳倩,齊天翼,常新亞,田科豐,李博文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京控制工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2