低轨对地凝视卫星姿态控制.pdf

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1、2010年第1期上海航天AERoSPACESHANGHAI文章编号；1006—1630(2010)01—0015—05低轨对地凝视卫星姿态控制邬树楠，孙兆伟，叶东(哈尔滨工业大学卫星技术研究所，黑龙江哈尔滨150001)搐要：研究了低轨航天器执行对地观测任务时对地凝视观测的姿态控削。根据刚体动力学导出基于误差四元数和误差角速度的动力学与运动学方程，设计了一变结构控制律。仿真结果表明：在对地凝视的姿态控制过程中，设计的控制方法响应速度快于传统控制方法，对卫星转动惯量摄动及外部干扰的鲁棒性较佳。关键词：低轨对地凝视卫星I姿态控

2、制；变结构控制，滑模}鲁棒性中图分类号：V448．22文献标示码：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引言低轨卫星在对地监测时，有时需星载CCD相机连续对准地面目标成像。目前，低轨对地观测卫星星载相机的常用工作模式是卫星平台运动推扫成像。近年来，凝视技术被用于对地观测卫星。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”地球上某地点不动[1]。它的优点有：可同时连续观测全视场内发生的现象，能实时、定点地观测；可灵活、机动地获得图像，根据用户需

6、要直接定制图像；凝视模式无需机械扫描机构，可减轻卫星的质量和功耗，有一定的工程应用价值。低轨卫星对地凝视成像需考虑姿态控制。变结构控制具快速响应、对参数变化不灵敏等特点，广泛用于卫星姿态控收稿日期：2008-03—27；修回日期：2008-04-27作者简介：邬树楠(1982一)，男，硕士生，主要研究方向为航天器动力学与控制。制[2~4]。为此，本文对低轨卫星对地凝视成像中卫星姿态的变结构控制进行了研究。1对地凝视实现运动学1．1期望姿态四元数在对地凝视过程中，须利用卫星至地面目标的矢量确定期望姿态。根据轨道信息可求出轨道

7、坐标系中卫星至地心的矢量，1，由地理信息求出地面目标至地心的矢量，2，两者相减即为卫星至地面目标的矢量l。对地凝视模式如图1所示。地面目标至地心矢量在轨道坐标系中的分量，2=A1A2X1．(1)式中：A，为地心惯性坐标系至轨道坐标系的变换阵；A。为地球固连坐标系至地心惯性坐标系的变换阵；X为地面目标至地心的矢量在地球固连坐标系中的分量，可由地心经纬度求得。则上海航天AEROSPACESHANGHAI2010年第1期图1对地凝视模式Fig．1Staringimagerl—R。Eo01]T．(2)式中：R。为卫星轨道半径。则在

8、轨道坐标系中，卫星至地面目标的矢量l—r。一r。，其单位矢量P—Z／¨lJ。设星载对地凝视电荷耦合器件(CCD)相机固定在卫星本体，位于星本体坐标系的Z轴。当卫星载荷处于对地凝视的理想姿态时，其视线轴应持续对准地面目标，则P在本体系的坐标投影应保持Eo0ojl。根据坐标转换关系可得期望的欧拉角与四元数。