低轨光学卫星同轨立体成像姿态规划与控制方法

李峰; 万秋华; 刘萌萌; 钟兴; 曲友阳

doi:10.37188/OPE.20223014.1682

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低轨光学卫星同轨立体成像姿态规划与控制方法

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-08-08

- 低轨光学卫星同轨立体成像姿态规划与控制方法
- Attitude planning and control method of low-orbit optical satellite along-track stereoscopic imaging
- 光学精密工程 2022年30卷第14期页码：1682-1693
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
  3.长光卫星技术股份有限公司，吉林长春 130102
- 作者简介：
  
  [ "李　峰（1988-），男，河北乐亭人，博士研究生，分别于2011年、2013年于哈尔滨工程大学获得学士、硕士学位，主要从光学遥感卫星控制系统设计与任务规划等方面的研究。 E-mail： lifeng@charmingglobe.com" ]
  [ "万秋华（1962-），女，吉林长春人，博士，研究员，博士生导师，主要从事光电位移精密测量技术和规划优化等方面的研究。E-mail： wanqh@ciomp.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划项目(2019YFE0127000);吉林省重点研发项目(20210201015GX)
- DOI：10.37188/OPE.20223014.1682
  中图分类号： TP391.4;TH691.9
- 收稿日期：2021-11-23，
  
  修回日期：2022-01-17，
  
  纸质出版日期：2022-07-25
- 稿件说明：
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李峰,万秋华,刘萌萌等.低轨光学卫星同轨立体成像姿态规划与控制方法[J].光学精密工程,2022,30(14):1682-1693.

LI Feng,WAN Qiuhua,LIU Mengmeng,et al.Attitude planning and control method of low-orbit optical satellite along-track stereoscopic imaging[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(14):1682-1693.
李峰,万秋华,刘萌萌等.低轨光学卫星同轨立体成像姿态规划与控制方法[J].光学精密工程,2022,30(14):1682-1693. DOI： 10.37188/OPE.20223014.1682.

LI Feng,WAN Qiuhua,LIU Mengmeng,et al.Attitude planning and control method of low-orbit optical satellite along-track stereoscopic imaging[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(14):1682-1693. DOI： 10.37188/OPE.20223014.1682.

摘要

为了提高低轨光学卫星同轨立体成像中多次成像对目标区域指向精度，从而获取更大的重叠覆盖面积，即立体像对有效面积。首先，设计了一种采用地球椭球模型，并考虑地球自转以及卫星滚动方向机动的同轨双视/三视立体成像姿态规划方法。其次，为了缩减机动时间，以提高卫星单次成像可拍摄的区域长度，考虑执行机构力矩与角动量约束，设计了一种路径规划快速机动控制算法（Path planning Fast Maneuver Control，PFMC），即基于旋转轴不变约束的三轴机动的最短路径和角加速度连续路径规划以及结合角加速度前馈与内外环控制的快速机动算法。最后，以“吉林一号”卫星参数进行数学仿真，控制精度优于0.02°，稳定度优于0.001（°）

s，成像时长不低于10 s。在轨测试期间，获得了乌鲁木齐市的立体像对与数字表面模型，有效覆盖面积大于1 600 km

，双视成像的重叠率超过97%，验证了同轨双视立体成像规划与控制方法的可行性和有效性。

Abstract

To improve the point accuracy of along-track stereoscopic imaging， a larger coverage area must be obtained； that is， the effective area for stereoscopic imaging must be improved. Herein， first， a method for attitude planning of along-track dual/triple perspective stereoscopic imaging is designed， which adopts the earth ellipsoid model and considers the earth rotation and satellite rolling direction maneuver. Next， to reduce the maneuver time and to increase the area that can be imaged by the satellite in a single shot， a method called path planning fast maneuver control is designed considering the actuator moment and angular momentum constraints， including two parts. According to a situation wherein the angular velocity of the satellite is limited owing to the torque and angular momentum constraints of the actuator， a three-axis maneuver attitude planner with the shortest path and continuous angular acceleration is designed based on the invariant rotation axis constraint. An attitude maneuver algorithm combining angular acceleration feed-forward and internal–external loop control is further designed to improve the dynamic performance of attitude tracking. Finally， a mathematical simulation is conducted with the parameters of the Jilin-1 satellite， whereby the control accuracy is better than 0.02°， the stability is better than 0.001 （°）/s， and the imaging duration is no less than 10 s. During the in-orbit test， the stereo image pairs and digital surface models of Urumqi city are obtained， with an effective coverage area of 1600 km2 and an overlap rate of dual-view imaging exceeding 97%， which verifies the feasibility and effectiveness of the along-track dual-view stereo imaging planning and control method.

关键词

Keywords

references

李强，孔林，张雷，等 . 多光谱大幅宽光学遥感卫星的热设计及验证［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 4 ）： 904 - 913 . doi: 10.3788/OPE.20202804.0904 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202804.0904

LI Q ， KONG L ， ZHANG L ， et al . Thermal design and validation of multispectral max width optical remote sensing satellite ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 4 ）： 904 - 913 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20202804.0904 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202804.0904

肖磊，王绍举，常琳，等 . 采用自适应无迹卡尔曼滤波的卫星姿态确定［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 3 ）： 637 - 645 . doi: 10.37188/OPE.20212903.0637 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212903.0637

XIAO L ， WANG S J ， CHANG L ， et al . Attitude determination for satellite using adaptive unscented Kalman filter ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 3 ）： 637 - 645 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212903.0637 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212903.0637

白杨，王灵丽，武红宇，等 . 基于气象预测数据优化卫星成像参数［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 3 ）： 628 - 636 . doi: 10.37188/OPE.20212903.0628 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212903.0628

BAI Y ， WANG L L ， WU H Y ， et al . Optimize satellite imaging parameters using meteorological forecast data ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 3 ）： 628 - 636 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212903.0628 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212903.0628

郭今昌 . 商用高分辨率光学遥感卫星及平台技术分析［J］. 航天器工程， 2009 ， 18 （ 2 ）： 83 - 89 . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2009.02.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2009.02.014

GUO J C . Technical analysis of high resolution commercial optical remote sensing satellite ［J］. Spacecraft Engineering ， 2009 ， 18 （ 2 ）： 83 - 89 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2009.02.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2009.02.014

王中果，李贞，汤海涛，等 . 敏捷卫星立体成像覆盖能力分析［J］. 航天器工程， 2017 ， 26 （ 4 ）： 7 - 14 . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.002

WANG Z G ， LI Z ， TANG H T ， et al . Analysis on stereo mapping coverage ability of agile satellite ［J］. Spacecraft Engineering ， 2017 ， 26 （ 4 ）： 7 - 14 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.002

田原，王密 . 基于步进搜索的敏捷同轨立体成像规划［J］. 无线电工程， 2015 ， 45 （ 11 ）： 44 - 47， 51 .

TIAN Y ， WANG M . An optimal imaging-scheduling algorithm for stereo acquisition mode of agile satellites based on step-size search ［J］. Radio Engineering ， 2015 ， 45 （ 11 ）： 44 - 47， 51 . （in Chinese）

LI W T ， GAO F ， ZHANG P ， et al . Research on multiview stereo mapping based on satellite video images ［J］. IEEE Access ， 9 ： 44069 - 44083 .

张新伟，戴君，刘付强 . 敏捷遥感卫星工作模式研究［J］. 航天器工程， 2011 ， 20 （ 4 ）： 32 - 38 . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2011.04.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2011.04.004

ZHANG X W ， DAI J ， LIU F Q . Research on working mode of remote sensing satellite with agile attitude control ［J］. Spacecraft Engineering ， 2011 ， 20 （ 4 ）： 32 - 38 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2011.04.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2011.04.004

王淑一，刘祥，陈超 . 资源三号卫星控制系统概述及在轨验证［J］. 空间控制技术与应用， 2015 ， 41 （ 2 ）： 1 - 5， 35 . doi: 10.3969/j.issn.1674-1579.2015.02.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-1579.2015.02.001

WANG S Y ， LIU X ， CHEN C . Overview of control system and on-orbit test for ZY-3 satellite ［J］. Aerospace Control and Application ， 2015 ， 41 （ 2 ）： 1 - 5， 35 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1674-1579.2015.02.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-1579.2015.02.001

周剑敏，魏懿，曹永梅，等 . 高分三号卫星控制分系统设计与在轨验证［J］. 航天器工程， 2017 ， 26 （ 6 ）： 93 - 98 . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.015 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.015

ZHOU J M ， WEI Y ， CAO Y M ， et al . AOCS design and on-orbit verification of GF-3 satellite ［J］. Spacecraft Engineering ， 2017 ， 26 （ 6 ）： 93 - 98 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.015 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.015

申晓宁，周端，郭毓，等 . 基于多目标进化算法的卫星机动路径规划［J］. 航空动力学报， 2010 ， 25 （ 8 ）： 1906 - 1912 .

SHEN X N ， ZHOU D ， GUO Y ， et al . Path planning for maneuver of the satellite based on a multi-objective evolutionary algorithm ［J］. Journal of Aerospace Power ， 2010 ， 25 （ 8 ）： 1906 - 1912 . （in Chinese）

HA K Q ， FEMIANO M D ， MOSIER G E . Minimum-time and vibration-avoidance attitude maneuver for spacecraft with torque and momentum limit constraints in redundant reaction wheel configuration ［C］. Space Systems Engineering and Optical Alignment Mechanisms. SPIE ， Denver， Colorado， USA . 2004 ， 5528 ： 126 - 137 . doi: 10.1117/12.558456 http://dx.doi.org/10.1117/12.558456

LI F Y ， BAINUM P M . Numerical approach for solving rigid spacecraft minimum time attitude maneuvers ［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics ， 1990 ， 13 （ 1 ）： 38 - 45 . doi: 10.2514/3.20515 http://dx.doi.org/10.2514/3.20515

华冰，陈林，吴云华 . 微小卫星联合执行机构的递阶饱和姿态控制方法［J］. 中国惯性技术学报， 2017 ， 25 （ 6 ）： 821 - 827 .

HUA B ， CHEN L ， WU Y H . Cascade-saturation attitude control of micro-satellite based on combination actuator ［J］. Journal of Chinese Inertial Technology ， 2017 ， 25 （ 6 ）： 821 - 827 . （in Chinese）

汪礼成，任家栋，钟超，等 . 对地聚束成像SAR卫星姿态控制技术研究［J］. 测绘通报， 2014 （ S1 ）： 43 - 49 .

WANG L C ， REN J D ， ZHONG C ， et al . Research on attitude control technology for SAR satellite on plotlight mode ［J］. Bulletin of Surveying and Mapping ， 2014 （ S1 ）： 43 - 49 . （in Chinese）

HAN J Q . From PID to active disturbance rejection control ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2009 ， 56 （ 3 ）： 900 - 906 . doi: 10.1109/tie.2008.2011621 http://dx.doi.org/10.1109/tie.2008.2011621

李立涛，荣思远 . 航天器姿态动力学与控制［M］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2019 .

LI L T ， RONG S Y . Attitude Dynamics and Control of Spacecraft ［M］. Harbin ： Harbin Institute of Technology Press ， 2019 . （in Chinese）

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