低轨对地凝视卫星姿态模糊控制器设计.pdf

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1、2010年第6期上海航天AEROSPACESHANGHAl文章编号：1006—1630(2010)06—0001-05低轨对地凝视卫星姿态模糊控制器设计孙兆伟，梁海朝，邬树楠(哈尔滨工业大学卫星技术研究所，黑龙江哈尔滨150001)摘要：设计了一种用于低轨道小卫星对地凝视姿控的模糊控制器。根据剐体动力学导出的基于欧拉角的运动学和动力学方程，设计了对地凝视小卫星的姿态模糊控制器。仿真结果表明：与传统控制方法相比，该控制器具快速性和鲁棒性。关键词：对地凝视，模糊控制；控制器；姿态控制中图分类号：V448．22文献标示码tAAttitudeControlofaStaring-

2、ImagingSatelliteinLEOUsingFuzzyControllerSUNZhao-wei，LIANGHai—zhao，WUShu—nan(ResearchCenterofSatelliteTechnology，HarbinInstituteofTechnology，HarbinHeilongjiang150001，China)Abstract：Acontrollerusingfuzzycontrolwasproposedtoimprovethecontrolsystemofastaring—imagingsatelliteinlowearthorbiti

3、nthispaper．AccordingtOtheattitudekinematicanddynamicequationsderivedbasedonEuleranglerepresentations，thedesignofthefuzzycontrollerforstaring-imagingsatellitewasgivenout．Thesimulationresultsshowedthatthemethodproposedwasqualifiedwithexcellentrobustnessandsatisfactorycontroleffect，which,wa

4、scomparedwiththetraditionslcontrolmethod．Keywords：Staringimage；Fuzzycontrol；Controller；Attitudecontrol0引言卫星的对地凝视模式是星载光学遥感器观测地面目标时其光轴“盯住”地球上的某点不动[1]。低轨道小卫星在执行任务时，有时需要星载相机连续对准地面固定目标拍摄，有时需要星载天线连续对准地面通信站进行通信，这就要求卫星进入对地凝视模式以满足星上有效载荷(如星载相机)在一段时间内连续指向地面给定目标的要求[2]。与普通对地定向模式相比，对地凝视模式的优点有：可实时、定点观测

5、，并可对视场内发生的现象进行连续观测；获得的图像机动、灵活，并可根据用户需要直接定制图像；凝视模式中无需机械扫描机构，减轻了卫星的质量和功耗，工程应用价值明显。文献Eli提出了凝视概念；文献E2]提出的卫星大角度姿态机动控制算法可用于对地凝视卫星，但控制收稿日期：2009—04·07；修画日期：2009—04—23作者简介z孙兆伟(1963一)，男，教授，主要研究方向为飞行器总体设计及仿真。效果不理想。卫星对地凝视模式的关键是对地凝视开始时的姿态机动和之后的姿态稳定控制，目前尚无文献给出针对对地凝视模式的姿态控制算法。本文根据对地凝视卫星要求姿态机动时间短及卫星模型参数

6、不确定等特点，考虑模颧控制器的快速性和鲁棒性，设计了一种Mamdani类PD型模糊控制器。1对地凝视运动学1．1期望姿态角确定在对地凝视过程中，需利用卫星至地面目标的方向矢量确定期望的姿态信息，故计算时，先需求出轨道系中卫星至地心的矢量r。和地面目标至地心的矢量，：，由r。，r。相减获得卫星至目标的矢量r。，再通过星体坐标系至轨道坐标系的转换矩阵求得期望姿态角。如图1所示，在轨道系中可得，l=R。[o01]T；(1)上海航天AEROSPACESHANGHAI2010年第6期rz=A3·A毛·蜀。．(2)式中：R，为卫星的轨道半径；A3为地心惯性坐标系至轨道坐标系的转换阵

7、；Ad。g为地球固连坐标系至地心惯性坐标系的转换阵；x。。为地面目标至地心矢量在地球固连坐标系中的分量，且C089COSA]xdg—R。lc08P8inA1．(3)lsin9j．此处：R。，A，9分别为地面目标至地心的矢量及地理经度与纬度。则可得r。=r。一r：，其单位矢量p=r。／Ir。l。图1卫星对地凝视示意Fig．1Staringimage假设星载光学遥感器固定在卫星本体且其光轴与卫星本体坐标系的z轴重合。当卫星处于对地凝视的理想姿态，即星载光学遥感器光轴始终指向地面目标时，p在本体坐标系中的投影列阵肌应保持为Eo01]T。由此可根