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原文传递低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法

专利名称：	低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法
摘要：	低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法涉及航天器姿态确定与控制技术领域，解决了亟需满足低轨光学卫星面临的各种复杂的成像需求的推扫姿态规划方法的问题，步骤为：1、在卫星开始进行匀降速推扫时，计算卫星匀降速后虚拟轨道的位置；2、计算卫星相机光轴指向的方向矢量，通过卫星相机光轴指向的方向矢量、结合1中得到的位置，解算卫星匀降速推扫成像目标点的位置信息；3、根据卫星当前的位置与速度、结合2中得到的位置信息，解算目标点的期望姿态。本发明能满足复杂的成像需求，使卫星在成像期间以0％到100％任意的百分比来进行匀降速推扫成像，保证成像条带平行于星下点轨迹，姿态控制效果良好。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	长光卫星技术有限公司
发明人：	童鑫;戴路;徐开;李峰;周易
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-26T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910793210.3
公开号：	CN110435930A
代理机构：	长春众邦菁华知识产权代理有限公司
代理人：	王丹阳
分类号：	B64G1/24(2006.01);B;B64;B64G;B64G1
申请人地址：	130000吉林省长春市北湖科技开发区明溪路1299号
主权项：	1.低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、在卫星开始进行匀降速推扫时，计算卫星匀降速后虚拟轨道的位置；步骤2、计算卫星相机光轴指向的方向矢量，通过卫星相机光轴指向的方向矢量、结合步骤1得到的卫星匀降速后虚拟轨道的位置，解算卫星匀降速推扫成像目标点的位置信息；步骤3、根据卫星当前的位置与速度、结合步骤2得到的位置信息，解算卫星匀降速推扫成像目标点的期望姿态。 2.如权利要求1所述的低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，所述步骤3具体为：根据卫星当前的位置和卫星当前的速度、结合步骤2得到的位置信息，解算卫星指向匀降速推扫成像目标点的期望坐标系相对轨道坐标系的四元数，根据期望坐标系相对轨道坐标系的四元数解算期望坐标系相对卫星本体系的四元数，根据期望坐标系相对卫星本体系的四元数计算出期望坐标系相对卫星本体系的角速度。 3.如权利要求1所述的低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，所述步骤1具体为：设匀降速推扫开始时刻为t0，卫星在J2000惯性系下的初始位置为rJ0＝[rx0,ry0,rz0]T，J2000惯性系下的初始速度为vJ0＝[vx0,vy0,vz0]T，Δt时间后卫星的位置为rJt＝[rJxt,rJyt,rJzt]T，速度为vJt＝[vJxt,vJyt,vJzt]T；设匀降速推扫的比例为n，n<1，Δt时间后卫星匀降速推扫对应的虚拟位置与虚拟速度为Δt′时间卫星在J2000惯性系下的位置rJnt＝[rJxnt,rJynt,rJznt]T，Δt时间后卫星匀降速推扫对应的虚拟速度为Δt′时间卫星在J2000惯性系下的速度vJnt＝[vJxnt,vJynt,vJznt]T，Δt′＝nΔt；当卫星进行匀降速推扫成像任务时，采用二体模型进行虚拟轨道递推，式中，公式(1)所用物理量单位采用人卫单位系统，其中1人卫长度单位等于6378137m；1人卫时间单位等于806.8111238s，星上姿控系统使用的长度单位为m，时间单位为s，略去有其中将公式(2)解算出的卫星在J2000惯性系下的位置rJnt转换为卫星在WGS84系下虚拟轨道的位置rnt，步骤一完成，得到卫星匀降速后虚拟轨道的位置rnt。 4.如权利要求1所述的低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，所述步骤2的卫星相机光轴指向的方向矢量的计算过程为：在卫星本体系中，相机光轴指向的方向矢量为 rc＝[tanα tanβ 1]T (4) 其中，α为rc在卫星本体系XOZ面上的投影与+OZ轴方向的夹角，β为rc在卫星本体系YOZ面上的投影与+OZ轴方向的夹角；在WGS84系中，卫星相机光轴指向的方向矢量为 rtar＝TwiTioTobrc (5) 其中，Twi为J2000惯性系至WGS84地固坐标系的转换矩阵，Tio为轨道坐标系至J2000惯性系转换矩阵，Tob为卫星本体系至轨道坐标系的转换矩阵。 5.如权利要求1所述的低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，所述步骤2的解算卫星匀降速推扫成像目标点的位置信息的计算过程为：相机光轴与地球表面的交点为卫星匀降速推扫成像目标点，卫星匀降速推扫成像目标点的坐标在WGS84系中的位置矢量为其中，rtar为卫星相机光轴指向的方向矢量；k为正实数，表示对卫星光轴指向方向矢量rtar的缩放；rnt为卫星对应卫星匀降速后虚拟轨道的卫星位置；在WGS84系下的地球长半轴ae＝6378.137km、地球短半轴be＝6356.7523km的模型下，地心半径r由地心纬度λ唯一确定，根据椭圆方程有：其中t为椭圆方程的中间变量，由公式(7)可得：由公式(7)和公式(8)可解得卫星匀降速推扫成像目标点的地心半径：其中：联立公式(9)和公式(10)得：将公式(6)带入公式(11)得：公式(12)构成了以k为变量的一元二次方程组，则k的解集为其中， k为k1和k2两者中的最小值；将k、rtar和步骤1计算得出的卫星匀降速后虚拟轨道的位置共同代入公式(6)，解算出匀降速推扫后相机光轴指向目标点在WGS84系下的坐标rtar84，rtar84为卫星匀降速推扫成像目标点的位置信息。 6.如权利要求2所述的低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，所述步骤3的解算卫星指向匀降速推扫成像目标点的期望坐标系相对轨道坐标系的四元数的计算过程为：根据卫星相机光轴指向的方向矢量由匀降速推扫过程中卫星在WGS84系下的位置与卫星匀降速推扫成像目标点的位置信息决定，计算欧拉轴角；根据欧拉轴角计算卫星指向匀降速推扫成像目标点的期望坐标系相对轨道坐标系的四元数。 7.如权利要求6所述的低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，所述步骤3的解算卫星指向匀降速推扫成像目标点的期望坐标系相对轨道坐标系的四元数的具体过程为：定义匀降速推扫过程中卫星在WGS84系下的位置为点A，该位置矢量为定义卫星匀降速推扫成像目标点在WGS84系下的位置为点B，该位置矢量为地球自转角速度为ωie＝[0,0,0.0000729212]T，卫星相对J2000惯性系的速度在WGS84系中的投影vx， vx＝ωie×rt+vt (15) 其中，vx的方向为轨道坐标系X轴在WGS84系中的投影，vt为卫星在WGS84系下的速度，rt为卫星在WGS84系下的位置；向量与的夹角为欧拉轴角，欧拉轴角为：轨道坐标系Y轴在WGS84系下的单位向量为：轨道坐标系X轴在WGS84系下的单位向量为：轨道坐标系Z轴在WGS84系下的单位向量为：地心、卫星与目标点构成平面的法向量为：根据欧拉轴角得出卫星指向匀降速推扫成像目标点的期望坐标系相对轨道坐标系的四元数qoh： 8.如权利要求2所述的低轨光学卫星匀降速推扫姿态规划方法，其特征在于，所述步骤3的根据期望坐标系相对卫星本体系的四元数计算出期望坐标系相对卫星本体系的角速度的计算过程为：由星上定姿系统给出的卫星本体系相对惯性系的四元数qib、J2000惯性系相对轨道坐标系的四元数qoi，计算卫星本体系相对轨道坐标系的四元数qob：由期望坐标系相对轨道坐标系的四元数qoh与轨道坐标系相对卫星本体系的四元数qbo，计算期望坐标系相对卫星本体系的四元数qbh：根据qbh计算期望坐标系相对卫星本体系的角速度。
所属类别：	发明专利