低軌對地凝視衛(wèi)星姿態(tài)控制.pdf

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1、2010年第1期上海航天AERoSPACESHANGHAI文章編號；1006—1630(2010)01—0015—05低軌對地凝視衛(wèi)星姿態(tài)控制鄔樹楠，孫兆偉，葉東(哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150001)搐要：研究了低軌航天器執(zhí)行對地觀測任務(wù)時對地凝視觀測的姿態(tài)控削。根據(jù)剛體動力學(xué)導(dǎo)出基于誤差四元數(shù)和誤差角速度的動力學(xué)與運動學(xué)方程，設(shè)計了一變結(jié)構(gòu)控制律。仿真結(jié)果表明：在對地凝視的姿態(tài)控制過程中，設(shè)計的控制方法響應(yīng)速度快于傳統(tǒng)控制方法，對衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量攝動及外部干擾的魯棒性較佳。關(guān)鍵詞：低軌對地凝視衛(wèi)星I姿態(tài)控

2、制；變結(jié)構(gòu)控制，滑模}魯棒性中圖分類號：V448．22文獻標(biāo)示碼：AAttitudeControlofaStaring-ImagingSatelliteinLEOWUShu—nan，SUNZhao—wei，YEDong(ResearchCenterofSatelliteTechnology，HarbinInstituteofTechnology，HarbinHeilongjiang150001，China)Abstraet：TheattitudecontroloflOWearthorbitsatellitewasstudi

3、edinthispaperwhileitwasonattitudemaneuvertomakeitspayloadstareatgroundtargets．Dynamicequationandkinematicsequationwereobtainedbyusingthedynamicsofrigidbodybasedontheerrorquaternionanderrorangularvelocities．AvariablestructurecontrollawwasdesignedusingLyapunovtheory

4、，Thesimulationresultsshowedthatthevariable-structurecontrollawdesignedhadquickerresponsethanthetraditionalmethodandwasrobusttouncertaintyinsatelliteinertiaparametersandtoexternaldisturbancetorquesduringtheattitudecontrolprocessforstaringimage．Keywords：Lowearthorbi

5、tstaringimagesatellite；Attitudecontrol；Variable-structurecontrol!Slidingmode,Robustness0引言低軌衛(wèi)星在對地監(jiān)測時，有時需星載CCD相機連續(xù)對準(zhǔn)地面目標(biāo)成像。目前，低軌對地觀測衛(wèi)星星載相機的常用工作模式是衛(wèi)星平臺運動推掃成像。近年來，凝視技術(shù)被用于對地觀測衛(wèi)星。對地凝視模式是星載光學(xué)遙感器觀測地面目標(biāo)時其光軸“盯住”地球上某地點不動[1]。它的優(yōu)點有：可同時連續(xù)觀測全視場內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，能實時、定點地觀測；可靈活、機動地獲得圖像，根據(jù)用戶需

6、要直接定制圖像；凝視模式無需機械掃描機構(gòu)，可減輕衛(wèi)星的質(zhì)量和功耗，有一定的工程應(yīng)用價值。低軌衛(wèi)星對地凝視成像需考慮姿態(tài)控制。變結(jié)構(gòu)控制具快速響應(yīng)、對參數(shù)變化不靈敏等特點，廣泛用于衛(wèi)星姿態(tài)控收稿日期：2008-03—27；修回日期：2008-04-27作者簡介：鄔樹楠(1982一)，男，碩士生，主要研究方向為航天器動力學(xué)與控制。制[2~4]。為此，本文對低軌衛(wèi)星對地凝視成像中衛(wèi)星姿態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制進行了研究。1對地凝視實現(xiàn)運動學(xué)1．1期望姿態(tài)四元數(shù)在對地凝視過程中，須利用衛(wèi)星至地面目標(biāo)的矢量確定期望姿態(tài)。根據(jù)軌道信息可求出軌道

7、坐標(biāo)系中衛(wèi)星至地心的矢量，1，由地理信息求出地面目標(biāo)至地心的矢量，2，兩者相減即為衛(wèi)星至地面目標(biāo)的矢量l。對地凝視模式如圖1所示。地面目標(biāo)至地心矢量在軌道坐標(biāo)系中的分量，2=A1A2X1．(1)式中：A，為地心慣性坐標(biāo)系至軌道坐標(biāo)系的變換陣；A。為地球固連坐標(biāo)系至地心慣性坐標(biāo)系的變換陣；X為地面目標(biāo)至地心的矢量在地球固連坐標(biāo)系中的分量，可由地心經(jīng)緯度求得。則上海航天AEROSPACESHANGHAI2010年第1期圖1對地凝視模式Fig．1Staringimagerl—R。Eo01]T．(2)式中：R。為衛(wèi)星軌道半徑。則在

8、軌道坐標(biāo)系中，衛(wèi)星至地面目標(biāo)的矢量l—r。一r。，其單位矢量P—Z／¨lJ。設(shè)星載對地凝視電荷耦合器件(CCD)相機固定在衛(wèi)星本體，位于星本體坐標(biāo)系的Z軸。當(dāng)衛(wèi)星載荷處于對地凝視的理想姿態(tài)時，其視線軸應(yīng)持續(xù)對準(zhǔn)地面目標(biāo)，則P在本體系的坐標(biāo)投影應(yīng)保持Eo0ojl。根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系可得期望的歐拉角與四元數(shù)。