[發(fā)明專利]一種基于星上實(shí)時(shí)規(guī)劃的相控陣數(shù)傳引導(dǎo)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710723784.4
• 申請(qǐng)日: 2017-08-22
• 公開（公告）號(hào): CN107450582B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉萌萌;徐開;陳福財(cái);童鑫;戴路;陳志剛;范林東;王國(guó)剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05B13/04
• 代理公司: 長(zhǎng)春眾邦菁華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 22214
• 代理人: 于曉慶

1.一種基于星上實(shí)時(shí)規(guī)劃的相控陣數(shù)傳引導(dǎo)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、衛(wèi)星天線的選取

在衛(wèi)星上同時(shí)使用一個(gè)普通固連天線和一個(gè)相控陣天線，或者，在衛(wèi)星上同時(shí)使用至少兩個(gè)相控陣天線；

步驟二、衛(wèi)星現(xiàn)運(yùn)行模式的確定

若衛(wèi)星現(xiàn)運(yùn)行模式為成像模式，則將成像功能優(yōu)先級(jí)設(shè)為1，數(shù)傳功能優(yōu)先級(jí)設(shè)為0；

若為兩數(shù)傳站同時(shí)數(shù)傳，則將數(shù)傳站優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)傳站數(shù)傳優(yōu)先級(jí)設(shè)為1，另一個(gè)數(shù)傳站數(shù)傳優(yōu)先級(jí)設(shè)為0；

若為單一數(shù)傳站的數(shù)傳，則優(yōu)先級(jí)設(shè)為1；

步驟三、相控陣天線的方位角與離軸角的計(jì)算

通過衛(wèi)星的實(shí)時(shí)姿態(tài)和數(shù)傳站的經(jīng)度、緯度、高度信息得到相控陣天線的期望指向，再經(jīng)計(jì)算得到相控陣天線的方位角與離軸角；

步驟三中，相控陣天線的方位角與離軸角的具體計(jì)算過程如下：

(1)計(jì)算期望相對(duì)軌道坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)四元數(shù)

四元數(shù)定義為：q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k

矢量乘積規(guī)則如下：

j＝-ji＝k

jk＝-kj＝i

ki＝-ik＝j(luò)

滿足約束方程：

四元數(shù)運(yùn)算：q^-1＝q₀-q₁i-q₂j-q₃k

通過衛(wèi)星的GPS數(shù)據(jù)得到衛(wèi)星在WGS84地球固連坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)位置假設(shè)地球?yàn)闄E球體，橢球體計(jì)算公式如下所示：

其中，lon、lat、h分別表示數(shù)傳站的經(jīng)度、緯度、高度，a為赤道半徑，e為偏心率；P_sx、P_sy、P_sz為衛(wèi)星在WGS84地球固連坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)三維位置坐標(biāo)；P_kx、P_ky、P_kz為數(shù)傳站在WGS84地球固連坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)；

通過橢球體計(jì)算公式得到數(shù)傳站在WGS84地球固連坐標(biāo)系下的位置數(shù)傳站至衛(wèi)星的向量表示為O、K、S三點(diǎn)共面，作平面OKS的法線從而求得向量和的夾角旋轉(zhuǎn)至與重合需要軌道坐標(biāo)系沿著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角，得到由期望軌道坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)四元數(shù)

(2)計(jì)算期望相對(duì)衛(wèi)星質(zhì)心坐標(biāo)系的姿態(tài)四元數(shù)

通過星上測(cè)量元件得到衛(wèi)星質(zhì)心坐標(biāo)系相對(duì)地球慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)四元數(shù)由衛(wèi)星的軌道信息得到軌道坐標(biāo)系相對(duì)地球慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)四元數(shù)由四元數(shù)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)算得到則期望相對(duì)衛(wèi)星質(zhì)心坐標(biāo)系的姿態(tài)四元數(shù)為

(3)計(jì)算相控陣天線的離軸角與方位角

在相控陣天線坐標(biāo)系中，相控陣天線的目標(biāo)指向OZ’表示為其中相控陣天線坐標(biāo)系與衛(wèi)星質(zhì)心坐標(biāo)系重合，為旋轉(zhuǎn)四元數(shù)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，則方位角為離軸角為其中β₁＝atan2d(x_T，y_T)；atan2d為反正切運(yùn)算；β₁為離軸角計(jì)算的中間量；

步驟四、衛(wèi)星在不同工作模式下的相應(yīng)控制方法

根據(jù)步驟三中得到的離軸角信息以及離軸角的60°約束，并根據(jù)步驟二中確定的衛(wèi)星現(xiàn)運(yùn)行模式與優(yōu)先級(jí)，判斷并選取衛(wèi)星控制模式：若離軸角均滿足約束條件，則衛(wèi)星不需要姿態(tài)機(jī)動(dòng)，否則以優(yōu)先級(jí)為1的模式為主；

在以優(yōu)先級(jí)為1的模式為主的情況下，若離軸角滿足約束條件，則衛(wèi)星不需要姿態(tài)機(jī)動(dòng)，否則以優(yōu)先級(jí)高的數(shù)傳站為期望，通過控制衛(wèi)星的姿態(tài)使相控陣天線指向目標(biāo)點(diǎn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于星上實(shí)時(shí)規(guī)劃的相控陣數(shù)傳引導(dǎo)控制方法，其特征在于，步驟一中，至少安裝有兩個(gè)相控陣天線。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于星上實(shí)時(shí)規(guī)劃的相控陣數(shù)傳引導(dǎo)控制方法，其特征在于，步驟三中，普通固連天線坐標(biāo)系和相控陣天線坐標(biāo)系均與衛(wèi)星質(zhì)心坐標(biāo)系重合，相控陣天線軸向?yàn)镺Z方向，OZ’為相控陣天線的目標(biāo)指向，則離軸角定義為OZ與OZ’之間的夾角β，范圍為0～60°，方位角定義為OZ’在XOY平面的投影與OX軸之間的夾角α，范圍為0～360°。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于星上實(shí)時(shí)規(guī)劃的相控陣數(shù)傳引導(dǎo)控制方法，其特征在于，步驟四的具體的控制過程如下：

(1)當(dāng)衛(wèi)星處于成像與數(shù)傳同時(shí)進(jìn)行時(shí)，以成像為主，當(dāng)計(jì)算得到的離軸角在相控陣天線的測(cè)控范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行數(shù)傳，否則只進(jìn)行成像；

(2)當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)行兩個(gè)數(shù)傳站同時(shí)數(shù)傳時(shí)，將兩個(gè)數(shù)傳站的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)傳站的數(shù)傳為主，若兩數(shù)傳站計(jì)算得到的離軸角均在相控陣天線的測(cè)控范圍內(nèi)時(shí)或者優(yōu)先級(jí)高的數(shù)傳站計(jì)算得到的離軸角在相控陣天線的測(cè)控范圍內(nèi)時(shí)，衛(wèi)星不進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)；否則衛(wèi)星按優(yōu)先級(jí)高的數(shù)傳站為期望進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)；

(3)當(dāng)衛(wèi)星只進(jìn)行單數(shù)傳站的數(shù)傳時(shí)，當(dāng)計(jì)算離軸角未在相控陣天線的測(cè)控范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行星體姿態(tài)機(jī)動(dòng)，通過控制衛(wèi)星的姿態(tài)使相控陣天線主軸指向目標(biāo)點(diǎn)。