基于闭环模式合作目标跟踪的卫星姿态机动跟踪方法

摘要

基于闭环模式合作目标跟踪的卫星姿态机动跟踪方法，步骤为：（1）确定合作目标的发射时刻、理论飞行轨迹数据，以及卫星的轨道数据；（2）计算卫星与合作目标之间的相对位置关系，该位置关系采用方位角和俯仰角表示；（3）在拟定的跟踪时间段内，确定不同时刻保持卫星本体Z轴与目标视轴重合所需的以时间为变量的方位角和俯仰角数据；（4）对方位角和俯仰角数据分别进行三次多项式拟合，得到拟合系数；（5）将拟合系数，开始跟踪时间、跟踪结束时间通过数据块上注；（6）卫星根据自身的轨道数据，按照地面上注的数据块，不断的调整自身的姿态实现对合作目标的跟踪；（7）曲线跟踪完成后，卫星恢复到原来的飞行状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星姿态机动跟踪地面动目标（约定时间内发射的目标），在动目标没有按照约定时间内发射（超前或延迟）时候的一种卫星跟踪动目标的方法。 

背景技术

卫星姿态机动跟踪合作目标一般有两种方式，即静目标跟踪及动目标跟踪。当卫星姿态机动跟踪静目标时，可以通过向卫星上注地面静止目标的经度、纬度、高程和开始跟踪的时间、跟踪结束时间，卫星通过目标、轨道等相对位置处理算法实现自动跟踪。但是针对动目标跟踪，尤其是运动速度较快的动目标，卫星要实现姿态机动对动目标凝视跟踪，则必须知道目标的具体运动轨迹和目标视轴相对卫星的具体方位，才能实现机动凝视跟踪。还有一个重要的前提，合作跟踪的动目标必须在约定的时间点开始运动，否则，卫星只会按照原来约定的时间点开始姿态机动，但此时已经不能跟踪上目标。 

为了克服开环状态下的卫星对合作动目标跟踪的一些缺点，需要实现在闭环状态下卫星跟踪合作动目标的方法，允许合作的动目标在一定的时间段内的提前或延迟运动（或发射），卫星仍然能够实现高精度的动目标跟踪。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种闭环实现卫星姿态机动跟踪动目标的方法，根据现有卫星针对动目标凝视功能的需求，针对动目标通过分段拟合目标视轴方位角系数的方式，在合作目标的开始运动时刻（或目标发射时刻）有误差的情况下，通过星地闭环的方式，仍然能够实现高精度的动目标跟踪。 

本发明的技术解决方案是：基于闭环模式合作目标跟踪的卫星姿态机动跟 踪方法，步骤如下： 

（1）获取合作目标的发射时刻、理论飞行轨迹数据，以及卫星在合作目标发射时刻的轨道数据； 

（2）在地面计算卫星与合作目标之间的相对位置关系；所述相对位置关系采用卫星轨道坐标系下的目标视轴来表示，目标视轴由卫星指向合作目标，目标视轴的矢量方向用卫星轨道坐标系下的方位角和俯仰角表示； 

（3）在拟定的对合作目标跟踪的时间段内，确定不同时刻所述目标视轴矢量方向的理论指向并分解得到以时间t为变量的目标视轴方位角数据和俯仰角数据；所述的目标视轴方位角数据和俯仰角数据采用跟踪拟合曲线的形式表示，所述的跟踪拟合曲线至少包括合作目标提前运动、合作目标在规定时间范围内开始运动、合作目标延时运动的情况； 

（4）对步骤（3）得到的跟踪拟合曲线分别进行三次多项式拟合，得到三次多项式的拟合系数；拟合系数应使得整个跟踪时间段内的数据拟合误差最小； 

（5）将步骤（4）得到的拟合系数，以及卫星开始跟踪合作目标的时间、跟踪结束时间通过数据块的形式在跟踪时间开始前上注给卫星，同时地面将卫星的轨道数据上注给卫星； 

（6）合作目标发射前，卫星根据自身的轨道数据，利用卫星指向控制方法控制卫星本体的Z轴与合作目标发射时刻的目标视轴重合，然后按照地面上注的拟合系数，调整卫星本体的Z轴与合作目标飞行时刻的目标视轴重合，实现对合作目标的姿态机动跟踪； 

（7）地面实时监测合作目标的发射情况，若起始时间在规定时间误差范围内，则不进行干预，卫星按照原默认跟踪拟合曲线进行合作目标跟踪；若地面发现目标起始运动时间延时或者超前，则通过指令使卫星切换至与合作目标发射时刻最接近的跟踪拟合曲线进行跟踪； 

（8）跟踪完成后，卫星恢复到跟踪合作目标之间的飞行状态。 

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法针对动目标（尤其是高动 态的动目标）提出了目标视轴的确定方法和姿态跟踪方法，利用动目标相对卫星的方位角、俯仰角来定义目标视轴的指向；由于在动目标跟踪期间，直接上传目标的方位角、俯仰角等角度数据，数据量过大（约1Mbytes），通过三段三次项拟合视轴角度，只将拟合的三次项系数上注卫星（不上注角度），数据量大大减小，通过分段（三段）拟合的方式，实现了高精度的目标视轴的描述，有效减小了拟合误差，目标拟合误差小于0.1°，提高了目标跟踪的指向精度。在合作目标的开始运动时刻（目标发射时刻）提前或者延迟的情况下，通过选择不同的跟踪拟合曲线，形成星地的闭环反馈控制，仍然能够实现高精度的合作目标指向。 

附图说明

图1为本发明方法的流程框图； 

图2为目标视轴描述示意图； 

图3为方位角曲线拟合示意图及误差曲线； 

图4为俯仰角曲线拟合示意图及误差曲线； 

图5卫星闭环跟踪动态合作目标的时序图； 

图6为时间最优姿态机动图； 

图7卫星不进行曲线切换时的目标跟踪精度曲线； 

图8卫星进行曲线切换后的目标跟踪精度曲线。 

具体实施方式

本发明针对在闭环模式下卫星姿态跟踪合作目标（如在约定时间内发射的目标或地面热点区域）期间，卫星通过对提前上注的目标视轴位置数据进行计算并实时调整卫星姿态机动跟踪目标，进行动目标或静目标凝视的一种姿态跟踪方法。即使合作目标比约定的开始运动时刻（或目标发射时刻）提前或者延迟动作，仍然能够实现高精度的目标跟踪。 

如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下： 

首先，由地面应用系统编排合作目标跟踪任务的任务规划和流程安排。任 务规划和流程形成后，地面应用系统、目标发射系统与卫星系统根据卫星的轨道相位及外推结果，确定卫星能够跟踪的目标发射时段，也即确定目标的发射时间（绝对时间T0，也即卫星开始进行姿态机动跟踪合作目标的开始时间），确定的原则是保证在合作目标跟踪期间卫星能够经过目标发射点上空，并且跟踪过程中的卫星姿态机动角度（卫星本体+Z轴相对于轨道坐标系+Z轴的夹角）大于30°小于70°。设置大于30°的目的是尽量避免卫星对目标过顶跟踪，过顶跟踪的时候卫星机动角速度过大，会影响曲线拟合精度和姿态指向精度；根据一般的小卫星轨道高度，在卫星本体+Z轴相对于轨道坐标系+Z轴的夹角达到70°时候，卫星已经指向了地球边缘冷空间的区域，且卫星机动的角度过大，部分敏感器不可用会影响控制精度，因此可将角度限制在小于70°的范围。其中，卫星本体系的原点为卫星质心，X轴指向卫星飞行方向，Z轴方向与相机视轴方向一致，Y轴与X轴、Z轴成右手系。在卫星对地飞行状态，卫星本体坐标系与轨道坐标系一致。 

在计划安排的合作目标开始跟踪前，地面应用系统向卫星上注精确轨道数据。同时，地面应用系统根据精确轨道数据、目标的飞行轨迹数据、卫星开始跟踪时刻与合作目标的相对位置关系，确定出目标位置的方位角、俯仰角与跟踪时间的对应数据（例如每秒对应一个方位角、俯仰角值）。再根据方位角、俯仰角与时间数据，分别进行方位角、俯仰角的三段三次项拟合，生成包含多项式系数、分段点位置、开始跟踪时间T0、跟踪时间长度、数据校验的上注数据块，地面应用系统在开始跟踪时间将数据块上注到卫星。卫星收到数据块后，对数据块进行解析，在卫星运行到T0时刻，开始实时计算目标视轴的方位角、俯仰角角度，并通过动量轮控制卫星本体坐标系的+Z轴指向目标视轴方向。此时地面的合作目标发射，沿着规划的轨迹参数飞行，卫星开始对其进行姿态跟踪。 

上述上注的数据块是合作目标在约定时间（如T0时刻）发射情况下的数据块，为了实现系统的闭环跟踪，实现在目标发射提前或者延迟情况下，卫星 仍然能够对合作目标进行高精度跟踪，还需要同时上注多条曲线。每条曲线分别与延迟后的发射时刻或者提前的发射时刻相对应。 

合作目标的方位角与俯仰角的定义如下： 

方位角：将视轴矢量在轨道坐标系（原点在卫星质心，X轴指向卫星前进方向，Y轴为轨道法线负方向，Z轴与X、Y轴成右手系）XOY面投影，投影轴与+X轴之间的夹角即为方位角，正负号遵循右手定则。 

俯仰角：又叫高低角，视轴与视轴在XOY面的投影轴之间的夹角，符号与Z轴的符号一致。 

目标视轴的定义如图2所示，计算目标矢量（在轨道坐标系下的三轴分量）为： 

$\overrightarrow{O}=\left(\begin{array}{c}{O}_x\\ O_y\\ O_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos (\beta \times \pi /180)\times \cos (\alpha \times \pi /180)\\ \cos (\beta \times \pi /180)\times \sin (\alpha \times \pi /180)\\ \sin (\beta \times \pi /180)\end{array}\right),$其中α为方位角，β为俯仰角 

视线跟踪曲线采用分段拟合的方式（三段拟合），根据理论轨迹的时间长短（主动段跟踪时间一般<180s），采用全局寻优（即逐点遍历的方式，保证总的拟合误差最小）的方法找出两个分段点。具体的方法为：在开始遍历状态，假定第一个分段点为第2点（第2秒），则第二个分段点从第3点一直遍历到第n点（n表示总的跟踪时间长度），记录下来每次遍历的曲线最大拟合误差值。然后第一个分段点继续遍历到第3点，则第二个分段点从第4点一直遍历到第n点；依次类推，直到第一个分段点遍历到第n-1点。在所有状态下曲线最大拟合误差最小的时候对应的第一个分段点和第二个分段点就是要找的分段点。将整段角度数据分成三段分别进行拟合，分成三组拟合系数，三次项系数拟合视轴位置确定的格式如下： 

第一段 

α₁=A₁₁t³+B₁₁t²+C₁₁t+D₁₁

β₁=A₁₂t³+B₁₂t²+C₁₂t+D₁₂

第二段 

α₂=A₂₁t³+B₂₁t²+C₂₁t+D₂₁

β₂=A₂₂t³+B₂₂t²+C₂₂t+D₂₂

第三段 

α₃=A₃₁t³+B₃₁t²+C₃₁t+D₃₁

β₃=A₃₂t³+B₃₂t²+C₃₂t+D₃₂

式中各参数含义如下： 

α₁β₁、α₂β₂、α₃β₃：三个分段中每段的方位角、俯仰角； 

A：每段角度拟合的三次项系数； 

B：每段角度拟合的二次项系数； 

C：每段角度拟合的一次项系数； 

D：每段角度拟合的常数项。其中角标第一位数字表示分段的序号，第二位数字用于区分方位角或俯仰角。 

在合作目标跟踪前，地面需要进行多条曲线的拟合。在允许的目标开始运动（或目标发射）时间范围内，作为默认曲线（0曲线），目标延迟一定时间（如延迟15s）开始运动，地面根据目标延迟后与卫星之间的相对角度关系，重新进行方位角、俯仰角拟合，形成新的拟合曲线；目标运动（目标发射）提前（如提前10s）的情况类似，也需要重新进行方位角、俯仰角拟合形成新的拟合曲线。地面将标称曲线、提前曲线、延迟曲线等多条曲线一次全部上传至卫星，根据卫星的存储容量，地面可以生成更多种工况的曲线。待目标发射后，地面实时测量目标的发射时间与标称的发射时间延迟或者提前的情况，若延迟时间超过5s，但是小于15s，则卫星应该对应跟踪曲线2，则地面在T2时间之前上注曲线选择指令（选择曲线2跟踪），卫星则从当前的标称跟踪曲线（0曲线）过渡到曲线2，重新开始目标曲线跟踪。若地面监测到目标发射时间超前，发送指令的方式类似。若地面监测到目标发射时间在标称的时间范围之内，则不发指令，卫星则默认按照0曲线执行。 

轨迹跟踪的时序图（以延迟发射情况为例）如图5所示。时序图中的几个时刻标志代表的含义如下： 

原T0：在开环跟踪的状态下，地面系统与目标发射系统约定的发射时刻； 

新T0：目标的实际发射时刻，相对于原T0可能提前或延迟； 

T1：卫星上收到地面发射的曲线选择指令时刻； 

T2：卫星开始曲线跟踪的时间，也是曲线选择指令的曲线对应数据块中的UTC时间。 

图3、图4分别给出了方位角、俯仰角的实际角度曲线及拟合后的曲线，并给出了分段点位置和拟合误差的计算值，如果采用单段拟合而不是分段拟合，在角度有拐点的位置拟合误差会明显加大。在上注数据的时候，只要将拟合的系数A、B、C、D的数据上注即可，通常的上注数据块格式见表1所示。表1中主要包括的因素是：数据包的内容包括数据包的标示符、有效数据的长度、曲线的选择标志、开始姿态机动跟踪的时间起点、跟踪时间结束点、每段方位角、俯仰角的时间点，每段方位角、俯仰角拟合系数值、校验和数据。 

表1目标跟踪数据块上注格式 

注1）：此处的曲线选择标志为0～2时，分别对应0～2共计3条曲线，其中： 

0曲线：表示目标发射时间在允许时间间隔（±5s）内发射； 

1～2曲线：表示目标发射提前或延迟超过5s发射的新拟合曲线，目标的延迟发射时间相对原T0一般不超过15s。 

注2）： 

在地面提前向星上发送数据块后开始跟踪之前，地面通过发送“曲线选择X”（X取0～2）带参数指令，实现对上注3条曲线其中之一的选择，若不发送指令，则星上默认按照0曲线执行； 

在得到目标矢量后，根据指向控制方法得到卫星本体相对轨道坐标系的姿态，控制星体的+Z轴与目标矢量轴重合。在卫星从初始姿态（对地定向姿态或对日定向）开始向目标视轴跟踪的时候，卫星将采取最优路径、最短时间的方式进行姿态机动跟踪。为了实现时间最优机动，采用图6中的三角形的路径机动，即使星体以最大角加速度进行姿态运动，待姿态机动角度接近目标姿态的一半时开始减速，在接近目标姿态时，卫星进行精确控制，在卫星已经跟踪上合作目标后，按照计算的视轴方位，在每个控制周期内按照最短路径、平均角速度跟踪的方式进行视轴目标的方位角、俯仰角的持续跟踪，直至跟踪时间结束，卫星返回对地或对日初始姿态。 

在不需要进行曲线切换时，只通过0曲线跟踪情况下卫星指向目标的目标跟踪精度见图7所示；在接收到地面曲线切换指令，卫星进行曲线切换后，卫 星指向目标的跟踪精度仿真结果见图8所示。由此可以看出，采用本发明方法可以获得对合作目标的闭环高精度跟踪。 

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。