一种单星高精度协同遥感方法

1.本发明涉及卫星遥感领域，尤其涉及一种单星高精度协同遥感方法。


背景技术：

2.传统的携带单个有效载荷的对地观测遥感卫星平台，每个轨道周期只能覆盖有限的目标区域，而对于较大的目标区域，需要多个轨道周期，将每次获得的图像条带进行拼接。对于瞬发的自然灾害，要求对地观测遥感卫星平台在最短时间获取目标区域信息，传统单星单载荷模式的遥感卫星平台多次观测所消耗的时间可能导致错过最佳营救时机。作为应对方案，一些学者提出了多载荷遥感卫星平台概念，即单颗遥感卫星携带多个有效载荷协同作业。以瞬发自然灾害为例，提前对目标区域进行合理划分，利用单颗卫星携带的多个星载照相机协同观测，有可能在一个轨道周期内覆盖全部目标区域。显然，多载荷卫星方案有利于节省时间成本和卫星在轨运行成本。


技术实现要素：

3.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种单星高精度协同遥感方法，提高现有遥感卫星平台的探测精度和协同探测能力。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种单星高精度协同遥感方法，应用于多载荷的卫星平台，卫星平台和有效载荷构成多回路控制系统，卫星平台与每个有效载荷之间使用柔性线缆连接，并通过无接触式作动器对有效载荷进行姿态调整；
5.所述方法包括以下步骤：
6.(1)将所述柔性线缆等效为多个珠点、弹簧和阻尼器的组合：多个珠点串接，所述弹簧和阻尼器并联设置在相邻的两个珠点之间；
7.(2)建立所有有效载荷、所有柔性线缆和卫星平台的作用力方程和力矩方程；建立多回路控制系统的控制方程和约束条件；
8.(3)获取所有有效载荷的位置和姿态数据，对于其中的任一有效载荷n，根据有效载荷n的姿态数据计算出：卫星平台运行在近地轨道时，有效载荷n所受的引力、大气阻力、线缆作用力、引力梯度力矩、线缆作用力矩；
9.获取卫星平台的位置和姿态数据，根据卫星平台的位置和姿态数据，及各个有效载荷的相对位置和姿态数据，计算出：卫星平台所受的引力、大气阻力、各个线缆作用力、引力梯度力矩和各个线缆作用力矩；
10.根据多回路控制系统的控制方程和约束条件，对有效载荷进行定向，将多个有效载荷指向同一目标，及将有效载荷和卫星平台之间距离控制在临界距离内。
11.进一步的，所述柔性线缆的弹簧-阻尼-质量点模型的表达式为：
[0012][0013]
上式中，f
i,kc
为两个弹簧/阻尼单元作用在珠点i(i＝1～n-1)的力；k为弹簧的刚
度系数；c为阻尼系数；li＝r
i-r
i-1
为珠点i-1指向珠点i的矢量；vi为珠点i的速度矢量；为矢量li的模；δli＝l
i-l
initial
为第i个弹簧/阻尼单元的伸长量，l
initial
为弹簧/阻尼单元初始长度。
[0014]
本发明的单星高精度协同遥感方法实现了如下技术效果：
[0015]
(1)卫星平台和有效载荷之间采用无接触设计方式，保证有效载荷超高精度和超高稳定度；
[0016]
(2)柔性线缆动力学建模，全面考虑了线缆的刚度、阻尼、质量特性，因此模型更加精确，更符合工程实际；
[0017]
(3)建立多回路控制系统的控制方程，通过该控制方程可以同时实现多个有效载荷的超静超稳，可为多载荷协同探测奠定基础；
[0018]
(4)在单个卫星平台上实现多个载荷的协同工作，可有效降低卫星发射和运行成本。
附图说明
[0019]
图1是单星高精度协同遥感卫星平台结构图；
[0020]
图2是多回路控制系统；
[0021]
图3是两个有效载荷的无接触作动器的线圈与磁铁相对位置；
[0022]
图4是两个有效载荷的有效载荷姿态角；
[0023]
图5是两个有效载荷的有效载荷角速度；
[0024]
图6是卫星平台姿态角；
[0025]
图7是卫星平台角速度；
[0026]
图8是现有技术的柔性线缆的弹簧-质量点模型；
[0027]
图9本发明的柔性线缆的弹簧-阻尼-质量点模型；
[0028]
图10是现有技术的超静卫星平台构型；
[0029]
图11是本发明的单星协同遥感平台构型；
[0030]
图12是现有技术的双星单目标协同探测；
[0031]
图13是本发明的单星单目标协同探测。
具体实施方式
[0032]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0033]
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
[0034]
为了提高单星的观测能力，可以将两种有效载荷并行安装在卫星平台上，如图1所示。
[0035]
本发明给出了一种单星高精度协同遥感方法，应用于上述的多载荷的遥感卫星平台，以提高现有遥感卫星平台的探测精度和协同探测能力。
[0036]
1、卫星平台与有效载荷之间使用柔性线缆连接，并通过无接触式作动器(如电磁作动器)对有效载荷进行姿态调整。
[0037]
在本方法中，首先柔性线缆动力学建模，柔性线缆在本平台中等效为珠点bead、弹簧和阻尼器的组合，其详细结构如图1所示。
[0038]
柔性线缆的弹簧-阻尼-质量点模型的表达式为：
[0039][0040]
上式中，f
i,kc
为两个弹簧/阻尼单元作用在珠点i(i＝1～n-1)的力；k为弹簧的刚度系数；c为阻尼系数；li＝r
i-r
i-1
为珠点i-1指向珠点i的矢量；vi为珠点i的速度矢量；为矢量li的模；δli＝l
i-l
initial
为第i个弹簧/阻尼单元的伸长量，l
initial
为弹簧/阻尼单元初始长度。
[0041]
在本实施例的柔性线缆动力学建模中，全面考虑了线缆的刚度、阻尼、质量特性，因此模型更加精确，更符合工程实际。
[0042]
2、单星高精度协同遥感卫星系统的受力分析，建立作用于有效载荷和卫星平台的作用力方程和力矩方程。
[0043]
假设遥感卫星平台运行在近地轨道上，作用于有效载荷ⅰ上的力和力矩分别为：
[0044][0045][0046][0047][0048]
tⅰpu
＝dⅰp
×
fⅰpu
[0049]
其中，fⅰpg
、fⅰpd
、fⅰpu
、tⅰpd
、tⅰpu
分别为有效载荷ⅰ所受的引力、大气阻力、线缆作用力、引力梯度力矩、线缆作用力矩。
[0050]
有效载荷ⅱ所受的作用力和力矩分别为：
[0051][0052][0053]
[0054][0055]
tⅱpu
＝dⅱp
×
fⅱpu
[0056]
同理可得，若包含多个有效载荷，则有效载荷n所受的作用力和力矩分别为：
[0057][0058][0059][0060][0061]
t
npu
＝d
np
×fnpu
[0062]
其中，f
npg
、f
npd
、f
npu
、t
npd
、t
npu
分别为有效载荷n所受的引力、大气阻力、线缆作用力、引力梯度力矩、线缆作用力矩。
[0063]
作用于ⅰ号柔性线缆上的力为：
[0064][0065][0066]
作用于ⅱ号柔性线缆上的力为：
[0067][0068][0069]
同理可得，若包含n号柔性线缆，则作用于n号柔性线缆上的力为：
[0070][0071][0072]
其中，f
nig
、f
nbi
分别为作用在n号柔性线缆上第i个珠点的引力、相邻弹簧阻尼单元合作用力。
[0073]
作用在卫星平台的作用力为：
[0074][0075]
[0076][0077][0078]
t
nsu
＝d
ns
×fnsu
[0079]
其中，f
sg
、f
sd
、f
nsu
、t
sd
、t
nsu
分别为作用在卫星平台上的引力、大气阻力、第n个柔性线缆作用力、引力梯度力矩、第n个柔性线缆作用力矩。
[0080]
3、单星高精度协同遥感卫星系统的多刚体柔性动力学推导，根据受力分析结果，建立卫星平台、有效载荷和柔性线缆的运动方程。
[0081]
有效载荷n的运动方程如下：
[0082][0083][0084][0085][0086]
其中，r
np
、v
np
、q
np
、ω
np
、m
np
、i
np
分别为有效载荷n的位置矢量、速度矢量、姿态四元数、角速度矢量、角速度矢量的四元数形式、质量、转动惯量。
[0087]
卫星平台的运动方程如下：
[0088][0089][0090][0091][0092][0093]
其中，rs、vs、qs、ωs、ms、is、η、ζ、ω、b
t
、br分别为卫星平台的位置矢量、速度矢量、姿态四元数、角速度矢量、角速度矢量的四元数形式、质量、转动惯量、挠性坐标、阻尼系数、挠性附件模态频率、挠性附件与卫星平台之间的平动耦合矩阵、挠性附件与卫星平台的转动耦合矩阵。
[0094]
柔性线缆n的运动方程如下：
[0095][0096][0097]
其中，r
ni
、v
ni
、m
ni
分别为柔性线缆n中的第i号珠点的位置矢量、速度矢量、质量。
[0098]
4、多回路控制器设计
[0099]
本系统的控制目标如下：
[0100]
a.两种有效载荷都实现较高的指向性能；
[0101]
b.保证有效载荷与卫星平台之间的临界距离。
[0102]
基于以上目标设计了多回路控制系统，如图2所示。该多回路控制系统包括两个有效载荷，该多回路控制系统的控制律设计如下：
[0103]
tⅰpc
＝kⅰpp
(qⅰpv0-qⅰpv
)+kⅰpd
(ωⅰp0-ωⅰp
)
[0104]
tⅱpc
＝kⅱpp
(qⅱpv0-qⅱpv
)+kⅱpd
(ωⅱp0-ωⅱp
)
[0105][0106][0107]
t
sc
＝k
rap
(q
rv0-q
rv
)+k
rad
(ω
r0-ωr)
[0108]
同理可得，当卫星平台存在多个有效负荷时，多回路控制系统的控制律可更新如下：
[0109]
t
npc
＝k
npp
(q
npv0-q
npv
)+k
npd
(ω
np0-ω
np
)
[0110][0111]
t
sc
＝k
rap
(q
rv0-q
rv
)+k
rad
(ω
r0-ωr)
[0112]
式中，下标n表示第n个有效载荷；t
npc
、k
npp
、q
npv0
、q
npv
、k
npd
、ω
np0
、ω
np
、ω
np0
分别为有效载荷n姿态控制回路的控制力矩、比例系数、有效载荷n期望四元数、有效载荷n当前四元数、微分系数、期望角速度、当前角速度；f
npc
、k
nrtp
、ρ
nr0
、ρ
nr
、k
nrtd
、分别为卫星平台与有效载荷n的相对控制回路的控制力、比例系数、期望相对位置、当前相对位置、微分系数、期望相对速度、当前相对速度；t
sc
、k
rap
、q
rv0
、q
rv
、k
rad
、ω
r0
、ωr分别为卫星平台与有效载荷n的相对姿态控制回路的控制力矩、比例系数、期望相对四元数、当前相对四元数、微分系数、期望相对角速度、当前相对角速度。
[0113]
5、仿真分析
[0114]
为验证所提出的单行高精度遥感卫星平台的协同探测能力和探测精度，设计了单目标多载荷协同探测任务：两个有效载荷同步实现对地心惯性坐标系下姿态角(0
°ꢀ0°ꢀ0°
)的定向任务。
[0115]
观测任务的目的为：使两个有效载荷本体坐标系相对于地心惯性坐标系的期望姿态偏差收敛到零，同时控制卫星平台与有效载荷的相对位置和姿态，保证无接触作动器始终处于正常工作状态(即无接触作动器的线圈和磁铁的作用范围保持在2mm范围内)。
[0116]
基于所建立的单行高精度遥感卫星平台运动方程，单目标协同观测任务仿真结果如图3到图7所示。
[0117]
根据上述结果分析，单星高精度遥感卫星平台的两个有效载荷在惯性空间对同一目标定向时，所设计的多回路控制系统能够保证两个作动器正常工作，同时有效载荷具有高指向性能，验证了所提出的单行高精度协同遥感卫星平台在执行协同观测任务的有效性。
[0118]
(1)结构上不同
[0119]
a.本发明中的柔性线缆模型比现有方案更精确。现有研究对卫星平台与有效载荷之间的柔性线缆建模普遍采用弹簧模型或弹簧-质量点模型，如图8所示，该模型考虑了线
缆的质量和刚度特性，但忽略了线缆的阻尼特性，因此在一定程度上偏离实际。本发明在现有的弹簧-质量点模型的基础上，进一步考虑阻尼特性，建立了如图9所示的弹簧-阻尼-质量点模型。该模型考虑了线缆的刚度特性、阻尼特性、质量特性，因此相对更加接近实际。
[0120]
b.本发明中的卫星构型可以实现多个有效载荷与卫星平台无接触设计。
[0121]
基于如图10所示的传统的超静卫星平台构型，只能保证单个有效载荷实现超高精度、超高稳定度。本发明的单星协同遥感卫星平台，如图11所示，可以携带多个有效载荷，并且多个有效载荷均匀卫星平台实现无接触设计，保证了每个有效载荷的超静超稳，为单星高精度协同遥感提供基础。
[0122]
(2)功能上的不同：
[0123]
由于传统超静卫星构型只能实现单个有效载荷的超静超稳，因此对于单目标探测任务，需要发射多颗超静卫星才能实现协同探测任务，如图12所示。发射多颗探测卫星需要的发射成本和卫星在轨运行成本显然比发射单颗卫星多。而本发明的单星协同遥感平台，可以在一个卫星平台基础上实现多个载荷的协同单目标探测，如图13所示。
[0124]
本发明的单星高精度协同遥感方法可实现如下技术效果：
[0125]
(1)卫星平台和有效载荷之间采用无接触设计方式，保证有效载荷超高精度和超高稳定度；
[0126]
(2)柔性线缆动力学建模，全面考虑了线缆的刚度、阻尼、质量特性，因此模型更加精确，更符合工程实际；
[0127]
(3)建立多回路控制系统的控制方程，通过该控制方程可以同时实现多个有效载荷的超静超稳，可为多载荷协同探测奠定基础；
[0128]
(4)在单个卫星平台上实现多个载荷的协同工作，可有效降低卫星发射和运行成本。
[0129]
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种单星高精度协同遥感方法，应用于多载荷的卫星平台，其特征在于：卫星平台和有效载荷构成多回路控制系统，卫星平台与每个有效载荷之间使用柔性线缆连接，并通过无接触式作动器对有效载荷进行姿态调整；所述方法包括以下步骤：(1)将所述柔性线缆等效为多个珠点、弹簧和阻尼器的组合：多个珠点串接，所述弹簧和阻尼器并联设置在相邻的两个珠点之间；(2)建立所有有效载荷、所有柔性线缆和卫星平台的作用力方程和力矩方程；建立多回路控制系统的控制方程和约束条件；(3)获取所有有效载荷的位置和姿态数据，对于其中的任一有效载荷n，根据有效载荷n的姿态数据计算出：卫星平台运行在近地轨道时，有效载荷n所受的引力、大气阻力、线缆作用力、引力梯度力矩、线缆作用力矩；获取卫星平台的位置和姿态数据，根据卫星平台的位置和姿态数据，及各个有效载荷的相对位置和姿态数据，计算出：卫星平台所受的引力、大气阻力、各个线缆作用力、引力梯度力矩和各个线缆作用力矩；根据多回路控制系统的控制方程和约束条件，对有效载荷进行定向，将多个有效载荷指向同一目标，及将有效载荷和卫星平台之间距离控制在临界距离内。2.如权利要求1所述的单星高精度协同遥感方法，其特征在于：所述柔性线缆的弹簧-阻尼-质量点模型的表达式为：上式中，f
i,kc
为两个弹簧/阻尼单元作用在珠点i(i＝1～n-1)的力；k为弹簧的刚度系数；c为阻尼系数；l
i
＝r
i-r
i-1
为珠点i-1指向珠点i的矢量；v
i
为珠点i的速度矢量；为矢量l
i
的模；δl
i
＝l
i-l
initial
为第i个弹簧/阻尼单元的伸长量，l
initial
为弹簧/阻尼单元初始长度。3.如权利要求2所述的单星高精度协同遥感方法，其特征在于：所述作用力方程和力矩方程包括：假设遥感卫星平台运行在近地轨道上；作用于有效载荷n上的作用力和力矩分别为：作用于有效载荷n上的作用力和力矩分别为：作用于有效载荷n上的作用力和力矩分别为：作用于有效载荷n上的作用力和力矩分别为：
t
npu
＝d
np
×
f
npu
其中，f
npg
、f
npd
、f
npu
、t
npd
、t
npu
分别为有效载荷n所受的引力、大气阻力、线缆作用力、引力梯度力矩、线缆作用力矩；作用于n号柔性线缆上的力为：作用于n号柔性线缆上的力为：其中，f
nig
、f
nbi
分别为作用在n号柔性线缆上第i个珠点的引力、相邻弹簧阻尼单元合作用力；作用在卫星平台的作用力为：作用在卫星平台的作用力为：作用在卫星平台的作用力为：作用在卫星平台的作用力为：t
nsu
＝d
ns
×
f
nsu
其中，f
sg
、f
sd
、f
nsu
、t
sd
、t
nsu
分别为作用在卫星平台上的引力、大气阻力、第n个柔性线缆作用力、引力梯度力矩、第n个柔性线缆作用力矩。4.如权利要求2所述的单星高精度协同遥感方法，其特征在于：有效载荷n的运动方程如下：有效载荷n的运动方程如下：有效载荷n的运动方程如下：有效载荷n的运动方程如下：其中，r
np
、v
np
、q
np
、ω
np
、m
np
、i
np
分别为有效载荷n的位置矢量、速度矢量、姿态四元数、角速度矢量、角速度矢量的四元数形式、质量、转动惯量；卫星平台的运动方程如下：卫星平台的运动方程如下：卫星平台的运动方程如下：
其中，r
s
、v
s
、q
s
、ω
s
、m
s
、i
s
、η、ζ、ω、b
t
、b
r
分别为卫星平台的位置矢量、速度矢量、姿态四元数、角速度矢量、角速度矢量的四元数形式、质量、转动惯量、挠性坐标、阻尼系数、挠性附件模态频率、挠性附件与卫星平台之间的平动耦合矩阵、挠性附件与卫星平台的转动耦合矩阵；柔性线缆n的运动方程如下：柔性线缆n的运动方程如下：其中，r
ni
、v
ni
、m
ni
分别为柔性线缆n中的第i号珠点的位置矢量、速度矢量、质量。5.如权利要求2所述的单星高精度协同遥感方法，其特征在于：所述多回路控制系统的控制方程和约束条件如下：t
npc
＝k
npp
(q
npv0-q
npv
)+k
npd
(ω
np0-ω
np
)t
sc
＝k
rap
(q
rv0-q
rv
)+k
rad
(ω
r0-ω
r
)式中，下标n表示第n个有效载荷；t
npc
、k
npp
、q
npv0
、q
npv
、k
npd
、ω
np0
、ω
np
、ω
np0
分别为有效载荷n姿态控制回路的控制力矩、比例系数、有效载荷n期望四元数、有效载荷n当前四元数、微分系数、期望角速度、当前角速度；f
npc
、k
nrtp
、ρ
nr0
、ρ
nr
、k
nrtd
、分别为卫星平台与有效载荷n的相对控制回路的控制力、比例系数、期望相对位置、当前相对位置、微分系数、期望相对速度、当前相对速度；t
sc
、k
rap
、q
rv0
、q
rv
、k
rad
、ω
r0
、ω
r
分别为卫星平台与有效载荷n的相对姿态控制回路的控制力矩、比例系数、期望相对四元数、当前相对四元数、微分系数、期望相对角速度、当前相对角速度；约束条件：无接触作动器始终处于正常工作状态。6.如权利要求5所述的单星高精度协同遥感方法，其特征在于：所述无接触作动器为电磁作动器，所述约束条件具体为：电磁作动器的线圈和磁铁的作用范围保持在设定距离内。

技术总结
本发明公开了一种单星高精度协同遥感方法，应用于多载荷的卫星平台，有效载荷通过柔性线缆、无接触作动器和所述卫星平台连接，构成多回路控制系统；所述方法包括：(1)将柔性线缆等效为多个珠子、弹簧和阻尼器的组合；(2)建立所有有效载荷、所有柔性线缆和卫星平台的作用力方程和力矩方程；建立多回路控制系统的控制方程和约束条件；(3)根据多回路控制系统的控制方程和约束条件，对有效载荷进行定向，将多个有效载荷指向同一目标，及将有效载荷和卫星平台之间距离控制在临界距离内。本发明通过采用无接触作动器、柔性线缆动力学建模和建立多回路控制系统的控制方程，从而在单个卫星平台上实现多个有效载荷的超静超稳和协同工作。台上实现多个有效载荷的超静超稳和协同工作。台上实现多个有效载荷的超静超稳和协同工作。


技术研发人员：周嘉星 黄启轩 姚佑鑫
受保护的技术使用者：厦门理工学院
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/5