【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空航天，特别涉及一种低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法。
技术介绍
1、随着低轨卫星技术的不断发展，低轨光学遥感卫星在地球观测、资源管理、环境检测等领域得到了广泛应用。立体成像技术作为一项重要手段，使卫星能够获取丰富地表三维信息，为地质勘探、城市规划等提供数据支撑，也有助于资源的合理利用和环境管理。
2、在立体成像姿态快速机动过程中，快速响应性和超调性之间存在平衡难题，控制器设计追求快速响应会牺牲控制稳定性，导致过度振荡或失控。相反，若强调稳定性则会错过立体成像的拍摄窗口期。国内学者韩京清先生的研究表明通过姿态规划可以解决此问题，但规划和控制过程中的参数设计仍是挑战。参数间耦合，需要考虑外部干扰等因素都影响着控制系统性能。同时，当卫星参数或约束发生变化时，手动调节参数效率低下，因此，系统级参数优化有着重要意义。
3、尽管低轨光学遥感卫星立体成像已经取得了显著进展，仍面临一些挑战。卫星立体成像需要短时间大幅度姿态机动，同时要保持姿态稳定以提升成像质量，对姿态控制系统提出快速性及稳定性要求，也为规划器和控制器参数设计带来挑战。
技术实现思路
1、本专利技术要解决现有技术中立体成像姿态规划和控制器参数难以设计的问题，提供一种低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
3、一种低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法，包括以下步骤：
5、运动学建模：
6、卫星运动学常使用姿态四元数q＝(q0,q1,q2,q3)t＝(q0,qt)t来表示旋转，卫星姿态是从惯性坐标系fi旋转到卫星本体坐标系fb的方向余弦矩阵r(qbi)计算得到的，简写为r(q)；定义卫星本体坐标系fb相对惯性坐标系fi的角速度为ω＝(ω1,ω2,ω3)t，则卫星运动学方程如公式(1)：
7、
8、定义s(q)为q的反对称矩阵，则方程可简化表达为公式(2)：
9、
10、其中，i3为3阶单位矩阵；
11、动力学建模：
12、卫星执行机构为反作用飞轮的动力学建模见公式(3)；其中，为反作用飞轮的总角动量，是表示卫星转动惯量的正定矩阵，u为控制力矩；
13、
14、步骤2：姿态规划与控制器设计；
15、姿态控制器设计：
16、卫星姿态控制器采用比例微分控制器，姿态控制过程卫星与反作用飞轮进行动量交换，控制力矩u可表示为公式(4)，kp和kd分别表示比例增益和微分增益；
17、u＝-(kpqe+kdωe) (4)
18、公式(4)中偏差四元数qe和偏差角速度ωe计算如公式(5)：
19、
20、公式(5)中表示四元数乘法，和ωd分别表示期望姿态四元数以及期望角速度，由姿态规划器规划得到；
21、姿态规划器设计：
22、立体成像规划角度θy和规划角速度ωy离散化表达为公式(6)，δt为控制步长，αy表示卫星y轴规划角加速度；
23、
24、卫星角加速度αy受飞轮力矩及转动惯量约束，存在上限αmax，αy规划如下：
25、
26、公式(7)中，μ为平滑因数，中间变量αm计算如公式(8)：
27、
28、公式(8)中，θd表示目标姿态角度；
29、定义卫星本体坐标系fb相对轨道坐标系fo的姿态用qbo表示，轨道坐标系fo相对惯性坐标系fi的姿态四元数为qoi，角速度用ωo表示，则有：
30、
31、步骤3：姿态规划与控制参数优化；
32、流程如下：
33、首先根据参数对姿态的影响程度确定规划和控制过程优化参数集合φ，规划器中参数集合φm＝[αmax,μ]，控制器中参数φc＝[kp,kd]；
34、φ＝[φm,φc]＝[αmax,μ,kp,kd] (10)
35、然后初始化参数集合分布以生成样本，选择各向同性的正态分布，[μ,σ]两个向量分别表示参数集合分布的均值和标准差；
36、φ～n(μ,σ2i)＝μ+σn(0,i) (11)
37、从参数集合正太分布中采样出大小为λ的初始种群；
38、τt+1＝{φit+1|φit+1＝μt+σtn(0,i),；i＝1,...,λ} (12)
39、其中，t表示迭代轮次，i表示种群内的个体序号，τt+1是第t+1轮迭代种群参数集合，之后会根据代价函数f(φit+1)对种群个体进行评价与筛选，选出指标最优前λ个体作为精英个体集合，并标记为τet+1；
40、
41、则在本轮迭代后，下一轮参数集合的分布为：
42、
43、重复公式(12)、(13)、(14)直到参数收敛。
44、在上述技术方案中，卫星同轨三视立体成像的前视角度设置为15°，正视角度设置为0°，后视角度设置为-15°。
45、在上述技术方案中，卫星同轨三视立体成像的每次成像任务具备大于10s的成像时间。
46、本专利技术具有以下有益效果：
47、本专利技术的低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法，搭建卫星动力学运动学数值仿真模型，然后根据立体成像任务需求设定仿真条件，利用参数优化方法不断改进姿态规划与控制参数，最终结果表明优化后参数提升了立体成像过程的快速响应能力及稳定性。
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1.一种低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法，其特征在于，卫星同轨三视立体成像的前视角度设置为15°，正视角度设置为0°，后视角度设置为-15°。
3.根据权利要求1所述的低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法，其特征在于，卫星同轨三视立体成像的每次成像任务具备大于10s的成像时间。
【技术特征摘要】
1.一种低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的低轨光学遥感卫星立体成像规划和控制参数优化方法，其特征在于，卫星同轨三视立体成像的前视角度设置...
【专利技术属性】
技术研发人员：王饪彭，戴路，范林东，郑鸿儒，曲友阳，赵禹涵，刘立秋，
申请(专利权)人：长光卫星技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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