一种指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法

本发明涉及航天器控制，尤其涉及一种指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法。

背景技术：

1、随着航天活动的日益频繁，空间任务不断朝向多样化、无人自主化等方发展，这些任务都要求航天器具备较高姿态控制能力。航天器的姿态重定向任务要求航天器从当前姿态机动到期望姿态并且满足相应的姿态约束。由于航天器通常携带光敏传感器(如相机)，因此它们不允许直接指向明亮的物体，例如，太阳。为了保持通信，航天器上的天线必须尽可能指向被通信对象，例如地球上的地面站或邻近的卫星。这种约束称为姿态约束。如何设计一个在满足控制量约束的情况下，实现航天器姿态的快速机动，即在最大能力限度下最快实现航天器姿态机动是一个挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是要提供一种指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明包括以下步骤：

4、s1：建立刚性航天器的姿态模型；

5、s2：建立姿态约束：包括姿态禁止区和姿态强制区，所述姿态禁止区用于防止光学传感器直接暴露于某些天体，所述姿态强制区用于使通信天线尽可能的指向通信对象；

6、s3：建立姿态指向约束下的时间最优航天器姿态控制问题p1；

7、s4：基于控制参数化方法，将时间最优航天器姿态控制问题p1中无限维控制量优化问题转换为有限维参数优化问题p2；

8、s5：基于约束转录方法约束处理：有限维参数优化问题p2转换为可处理的带有限维约束和有限维参数的优化问题p3；

9、s6：获取优化问题p3中目标函数的梯度信息，利用matlab的fmincon函数以及梯度信息求解非线性规划问题，得到航天器的最优机动时间以及最优控制序列。

10、本发明的有益效果是：

11、本发明是一种指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，与现有技术相比，本发明是针对指向约束下航天器姿态重定向问题的时间最优的姿态控制方案，在满足姿态约束的同时实现航天器快速姿态机动；此外，基于约束转录法将无限维航天器姿态指向约束的优化问题转换为有限维约束的参数优化问题。

技术特征：

1.一种指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，其特征在于：所述步骤s1建立刚性航天器的姿态模型：

3.根据权利要求2所述的指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，其特征在于：所述步骤s2中姿态禁止区：用x1j表示卫星中心指向天体单位矢量，y1表示光学传感器在机体坐标系下的单位矢量；数学表达式为：

4.根据权利要求3所述的指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，其特征在于：所述步骤s3建立姿态指向约束下的时间最优航天器姿态控制问题：

5.根据权利要求4所述的指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，其特征在于：所述步骤s4首先采用尺度变换法，将可变时间域t∈[0,t]变换为固定时间域s∈[0,1]，有

6.根据权利要求5所述的指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，其特征在于：所述步骤s5具体为：

7.根据权利要求6所述的指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，其特征在于：所述步骤s6获取优化问题p3中目标函数的梯度，即

技术总结本发明公开了一种指向约束下的时间最优航天器姿态控制方法，包括建立刚性航天器的姿态模型、建立姿态约束、建立姿态指向约束下的时间最优航天器姿态控制问题、基于控制参数化方法、基于约束转录方法约束处理、获取优化问题中目标函数的梯度信息，利用MATLAB的fmincon函数以及梯度信息求解非线性规划问题，得到航天器的最优机动时间以及最优控制序列。本发明是针对指向约束下航天器姿态重定向问题的时间最优的姿态控制方案，在满足姿态约束的同时实现航天器快速姿态机动；此外，基于约束转录法将无限维航天器姿态指向约束的优化问题转换为有限维约束的参数优化问题。技术研发人员：李彬,关涛,路遥,仲小清,张海博,武云丽,董峰,张爽娜受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27