[发明专利]一种基于星上实时规划的相控阵数传引导控制方法

权利要求书

1.一种基于星上实时规划的相控阵数传引导控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、卫星天线的选取

在卫星上同时使用一个普通固连天线和一个相控阵天线，或者，在卫星上同时使用至少两个相控阵天线；

步骤二、卫星现运行模式的确定

若卫星现运行模式为成像模式，则将成像功能优先级设为1，数传功能优先级设为0；

若为两数传站同时数传，则将数传站优先级进行排序，优先级高的数传站数传优先级设为1，另一个数传站数传优先级设为0；

若为单一数传站的数传，则优先级设为1；

步骤三、相控阵天线的方位角与离轴角的计算

通过卫星的实时姿态和数传站的经度、纬度、高度信息得到相控阵天线的期望指向，再经计算得到相控阵天线的方位角与离轴角；

步骤三中，相控阵天线的方位角与离轴角的具体计算过程如下：

(1)计算期望相对轨道坐标系的旋转四元数

四元数定义为：q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k

矢量乘积规则如下：

j＝-ji＝k

jk＝-kj＝i

ki＝-ik＝j

满足约束方程：

四元数运算：q^-1＝q₀-q₁i-q₂j-q₃k

通过卫星的GPS数据得到卫星在WGS84地球固连坐标系下的实时位置假设地球为椭球体，椭球体计算公式如下所示：

其中，lon、lat、h分别表示数传站的经度、纬度、高度，a为赤道半径，e为偏心率；P_sx、P_sy、P_sz为卫星在WGS84地球固连坐标系下的实时三维位置坐标；P_kx、P_ky、P_kz为数传站在WGS84地球固连坐标系下的三维位置坐标；

通过椭球体计算公式得到数传站在WGS84地球固连坐标系下的位置数传站至卫星的向量表示为O、K、S三点共面，作平面OKS的法线从而求得向量和的夹角旋转至与重合需要轨道坐标系沿着旋转轴旋转角，得到由期望轨道坐标系的旋转四元数

(2)计算期望相对卫星质心坐标系的姿态四元数

通过星上测量元件得到卫星质心坐标系相对地球惯性坐标系的旋转四元数由卫星的轨道信息得到轨道坐标系相对地球惯性坐标系的旋转四元数由四元数连续旋转运算得到则期望相对卫星质心坐标系的姿态四元数为

(3)计算相控阵天线的离轴角与方位角

在相控阵天线坐标系中，相控阵天线的目标指向OZ’表示为其中相控阵天线坐标系与卫星质心坐标系重合，为旋转四元数对应的旋转矩阵，则方位角为离轴角为其中β₁＝atan2d(x_T，y_T)；atan2d为反正切运算；β₁为离轴角计算的中间量；

步骤四、卫星在不同工作模式下的相应控制方法

根据步骤三中得到的离轴角信息以及离轴角的60°约束，并根据步骤二中确定的卫星现运行模式与优先级，判断并选取卫星控制模式：若离轴角均满足约束条件，则卫星不需要姿态机动，否则以优先级为1的模式为主；

在以优先级为1的模式为主的情况下，若离轴角满足约束条件，则卫星不需要姿态机动，否则以优先级高的数传站为期望，通过控制卫星的姿态使相控阵天线指向目标点。

2.根据权利要求1所述的一种基于星上实时规划的相控阵数传引导控制方法，其特征在于，步骤一中，至少安装有两个相控阵天线。

3.根据权利要求1所述的一种基于星上实时规划的相控阵数传引导控制方法，其特征在于，步骤三中，普通固连天线坐标系和相控阵天线坐标系均与卫星质心坐标系重合，相控阵天线轴向为OZ方向，OZ’为相控阵天线的目标指向，则离轴角定义为OZ与OZ’之间的夹角β，范围为0～60°，方位角定义为OZ’在XOY平面的投影与OX轴之间的夹角α，范围为0～360°。

4.根据权利要求1所述的一种基于星上实时规划的相控阵数传引导控制方法，其特征在于，步骤四的具体的控制过程如下：

(1)当卫星处于成像与数传同时进行时，以成像为主，当计算得到的离轴角在相控阵天线的测控范围内时进行数传，否则只进行成像；

(2)当卫星进行两个数传站同时数传时，将两个数传站的优先级进行排序，优先级高的数传站的数传为主，若两数传站计算得到的离轴角均在相控阵天线的测控范围内时或者优先级高的数传站计算得到的离轴角在相控阵天线的测控范围内时，卫星不进行姿态机动；否则卫星按优先级高的数传站为期望进行姿态机动；

(3)当卫星只进行单数传站的数传时，当计算离轴角未在相控阵天线的测控范围内时，进行星体姿态机动，通过控制卫星的姿态使相控阵天线主轴指向目标点。