[發(fā)明專利]一種航天器對地表定向目標(biāo)姿態(tài)角計算方法

有效

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• 申請日: 2018-03-16
• 公開（公告）號: CN108427427B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉其睿;王淑一;王新民;張俊玲;劉新彥;宗紅;韓冬;柯旗;田科豐;董筠;張屹峰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

一種航天器對地表定向目標(biāo)姿態(tài)角計算方法，首先根據(jù)衛(wèi)星軌道信息計算衛(wèi)星在地心慣性系中的位置坐標(biāo)，得到衛(wèi)星指向地心的矢量在地心慣性系的值，并作為衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量的初值，然后根據(jù)衛(wèi)星在地心慣性系中的位置坐標(biāo)計算衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量與地球橢球模型球面的交點坐標(biāo)，進(jìn)而得到地球橢球模型在交點處切平面的負(fù)法線矢量，最后計算負(fù)法線矢量和衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量的夾角，對衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量和衛(wèi)星軌道信息計算得到衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量在衛(wèi)星軌道系中的矢量值，進(jìn)而計算得到衛(wèi)星對地表定向目標(biāo)滾動姿態(tài)角和目標(biāo)俯仰姿態(tài)角。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)確定與控制領(lǐng)域，特別是一種航天器對地表定向目標(biāo)姿態(tài)角計算方法。

背景技術(shù)

海洋觀測衛(wèi)星工作載荷一般具有對地表定向的姿態(tài)控制需求。例如，海洋波譜儀是一種專門用來測量海浪方向譜的微波傳感器，它工作在小入射角下，通過天線360度掃描，用于對海面進(jìn)行大面積、長時間觀測，從而獲取海浪方向譜、風(fēng)速和波高等海面參數(shù)信息。又如，高度計用于向海面垂直發(fā)射脈沖信號，并通過海面反射回波脈沖的幅值確定風(fēng)速。這就要求姿態(tài)控制能夠?qū)崿F(xiàn)對地表垂直定向的功能。

在通常的衛(wèi)星本體姿態(tài)坐標(biāo)系定義中，Z軸的標(biāo)稱方向一般定義為指向地心的方向，若將地球視為理想圓球體，Z軸標(biāo)稱方向即與地表垂直。但由于地球?qū)嶋H并不是嚴(yán)格的球體，而更接近于橢球體，該橢球體的赤道截面為圓，子午線截面為赤道方向長半軸、南北極方向短半軸的橢圓，因此衛(wèi)星與地心連線在大部分情況下并不與地表或海平面垂直。因此從這一角度出發(fā)，若要實現(xiàn)對地表垂直定向的功能，就需要專門計算對地表定向方向的目標(biāo)滾動姿態(tài)角和俯仰姿態(tài)角，以此為目標(biāo)姿態(tài)對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制，當(dāng)衛(wèi)星的實際滾動姿態(tài)角和俯仰姿態(tài)角與目標(biāo)姿態(tài)一致時，衛(wèi)星的Z軸就指向了對地表垂直定向的方向。

目前在實踐中尚不存在針對該對地表定向目標(biāo)姿態(tài)角計算需求的成熟算法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：針對對地表定向目標(biāo)姿態(tài)角計算需求，提供了一種基于地球橢球體模型根據(jù)空間解析幾何原理進(jìn)行迭代計算的對地表定向目標(biāo)姿態(tài)角計算方法，該算法可以實現(xiàn)的計算精度可通過事先規(guī)定的計算精度設(shè)計值參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種航天器對地表定向目標(biāo)姿態(tài)角計算方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)衛(wèi)星軌道信息計算衛(wèi)星在地心慣性系中的位置坐標(biāo)；

(2)根據(jù)衛(wèi)星軌道信息計算衛(wèi)星指向地心的矢量在地心慣性系的值，并作為衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量的初值；

(3)在地心慣性系構(gòu)建地球橢球模型，然后根據(jù)衛(wèi)星在地心慣性系中的位置坐標(biāo)計算衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量與地球橢球模型球面的交點坐標(biāo)；

(4)根據(jù)交點坐標(biāo)計算得到地球橢球模型在交點處切平面的負(fù)法線矢量；所述的負(fù)法線矢量指向地球橢球模型內(nèi)部；

(5)計算負(fù)法線矢量和衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量的夾角；

(6)將衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量更新為步驟(4)得到的切平面負(fù)法線矢量；

(7)若步驟(5)得到的夾角小于精度閾值，則轉(zhuǎn)入步驟(8)，否則轉(zhuǎn)入步驟(3)，直至步驟(5)得到的夾角小于精度閾值；

(8)根據(jù)衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量和衛(wèi)星軌道信息計算得到衛(wèi)星指向目標(biāo)矢量在衛(wèi)星軌道系中的矢量值，進(jìn)而計算得到衛(wèi)星對地表定向目標(biāo)滾動姿態(tài)角和目標(biāo)俯仰姿態(tài)角。

所述步驟(1)中計算衛(wèi)星在地心慣性系中的坐標(biāo)的方法包括如下步驟：

(1)根據(jù)衛(wèi)星軌道信息包括的從地心慣性系到衛(wèi)星軌道系的方向余弦陣C_OI和地心距r，計算得到衛(wèi)星在地心慣性系位置坐標(biāo)初值R_S為