一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法与流程

本发明属于航空航天，具体涉及一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法。

背景技术：

1、高精度立体测绘卫星基于常规平面遥感图像的高级图像产品，其可以更加清晰的反馈地理三维信息，应用覆盖国家地理信息安全、国土空间管控、自然资源调查、灾害应急响应、重大工程建设等多个重要领域，特别是对实景三维城市建设具有重要意义。光学遥感卫星进行立体成像有多种方式，单星多线阵立体成像、多星组合立体成像、同轨立体成像，其中单星多线阵立体成像的线阵相机成本高昂，分辨率有限，不适用于大批量卫星组网以实现大范围立体覆盖成像；多星组合立体成像虽然图像获取效率较高，且不依赖单星的立体成像功能，但是其立体像对获取时间尺度不一致，导致图像一致性较差；同轨立体成像的图像一致性高，相对匹配性好，是当前高分辨率立体图像获取的主流方式。但是，同轨立体成像需要卫星在短时间内对同一目标点的多个角度进行成像，对卫星姿态机动能力较高。目前，主要同轨立体成像卫星如北京三号、高景一号均装配成本高昂的控制力矩陀螺（cmg）进行姿态控制。

技术实现思路

1、为了实现大批量、高可靠的高精度立体测绘卫星组网运行，降低卫星的研制成本，本发明基于高可靠、大力矩的异构飞轮组作为执行机构，结合专用的姿态控制及飞轮组力矩分配策略，提出了一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法。

2、所述方法包括如下步骤：

3、s1、对光学遥感卫星进行运动学动力学建模；

4、s2、对光学遥感卫星进行反作用飞轮组配置及控制矩阵设计：配备六套反作用飞轮，采用三套正装和三套斜装的构型进行设计；

5、s3、对光学遥感卫星进行立体成像姿态时序规划设计；

6、s4、对光学遥感卫星进行姿态规划器与姿态控制器设计；

7、s5、对光学遥感卫星进行异构反作用飞轮组力矩分配。

8、进一步，运动学建模具体为：

9、利用卫星的姿态运动学方程表征姿态微分与角速度之间的联系：；

10、其中，为3阶单位矩阵；表示姿态四元数的标量部分，表示姿态四元数的矢量部分，表示微分，为的反对称矩阵；姿态四元数；

11、求解卫星从惯性坐标系旋转到卫星本体坐标系的方向余弦矩阵：。

12、进一步，动力学建模具体为：；

13、其中，表示卫星转动惯矩阵；为反作用飞轮的角动量；为反作用飞轮的控制力矩；表示角速度的反对称矩阵；表示控制输入矩阵。

14、进一步，在反作用飞轮组配置中，三套正交飞轮放置于卫星本体坐标系的三个轴上，而三套斜装飞轮放置于与卫星轴固定角度的位置，并将整星角动量实时规划到轨道坐标系的轴上。

15、进一步，立体成像姿态时序规划设计时，卫星采用双视同轨立体成像模式，卫星在时刻处于对日模式，为对日转对地的姿态调节时间，为立体条带的成像时长，为2个立体条带之间的姿态机动时间；

16、卫星成像的时序关系设计为：~卫星调整对日姿态变换至前视角度的对地三轴成像姿态，卫星相机在时刻开机；~期间卫星进行前视成像，在成像结束时刻相机关机；~期间卫星调整姿态，由前视变为后视，时刻相机再次开机，并进行成像。

17、进一步，在立体成像姿态时序规划设计时，卫星姿态前视和后视的姿态角度分别为，对应的轨道坐标系期望姿态四元数分别为：

18、；

19、其中，表示前视轨道坐标系下的期望姿态；表示后视轨道坐标系下的期望姿态；

20、卫星成像时本体相对惯性坐标系的期望姿态为：

21、；

22、其中，表示前视惯性坐标系下的期望姿态；表示后视惯性坐标系下的期望姿态；表示轨道系相对惯性系的四元数；表示四元数乘法运算。

23、进一步，姿态规划器设计具体为：

24、计算立体成像后视条带的期望姿态角：

25、

26、；

27、其中，表示时刻的规划值；表示时刻的规划角速度；表示时刻的规划角加速度；表示时间索引标识；表示设定的姿态角加速度；表示姿态；

28、重新计算后视姿态机动过程的期望姿态：

29、；

30、计算惯性坐标系的期望角速度：

31、；其中，表示卫星相对轨道坐标系的姿态四元数；为轨道角速度，表示四元数对应的旋转变化矩阵；

32、计算惯性坐标系的期望角加速度为：

33、。

34、进一步，姿态控制器设计具体为：

35、姿态控制器采用比例微分前馈结合非线性补偿的控制策略，计算所得的期望控制力矩为：

36、；

37、其中：分别表示比例、微分、前馈控制增益；偏差四元数和偏差角速度计算如下所示：

38、；

39、其中：表示的逆。

40、进一步，进行异构反作用飞轮组力矩分配具体为：将期望控制力矩分配至反作用飞轮组力矩，具体计算方式如下：。

41、本发明所述方法的有益效果为：

42、本发明设计的基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，通过采用异构反作用飞轮组的设计方案，利用反作用飞轮微振动小、可靠性高的特点，结合飞轮动量过零规避策略，保障了卫星成像时的姿态控制精度。同时，通过合理设计反作用飞轮组的构型，保证了卫星俯仰轴具备较大控制力矩，结合基于姿态规划的高动态跟踪控制，实现了高精度的同轨立体成像。该方法同时兼顾了姿态机动的快速性与稳定性，保障了大比例尺高精度立体测绘的实现。同时，本方案参数物理意义明确，易于调试，满足批产立体测绘卫星的快速生产、调试与在轨部署。

1.一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，运动学建模具体为：

3.根据权利要求2所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，动力学建模具体为：；

4.根据权利要求3所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，在反作用飞轮组配置中，

5.根据权利要求4所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，立体成像姿态时序规划设计时，卫星采用双视同轨立体成像模式，卫星在时刻处于对日模式，为对日转对地的姿态调节时间，为立体条带的成像时长，为2个立体条带之间的姿态机动时间；

6.根据权利要求5所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，在立体成像姿态时序规划设计时，卫星姿态前视和后视的姿态角度分别为，对应的轨道坐标系期望姿态四元数分别为：

7.根据权利要求6所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，姿态规划器设计具体为：

8.根据权利要求7所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，姿态控制器设计具体为：

9.根据权利要求8所述的一种基于大力矩异构飞轮组的光学卫星高精度立体成像控制方法，其特征在于，进行异构反作用飞轮组力矩分配具体为：将期望控制力矩分配至反作用飞轮组力矩，具体计算方式如下：。