控制力矩陀螺的动态扫描成像卫星姿态控制赵波林，刘昆，张立（国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073）摘要：针对卫星动态扫描成像任务中的姿态控制问题，首先建立了卫星姿态动力学模型，分析了动态扫描成像任务对姿态控制的特殊需求。结合动态扫描成像任务需求提出了一种典型的姿态机动方案，对姿态机动过程所需控制力矩进行了估计。然后基于期望力矩和星体实时姿态设计了一种俯仰机动控制律，并给出了五棱锥构型陀螺群的操纵方案。针对某动态扫描成像任务卫星，对提出的控制律进行了数值仿真。仿真结果验证了所提方案可以满足卫星动态扫描成像的姿态控制要求。关键词：动态扫描成像；姿态控制；姿态机动方案；俯仰机动控制律；五棱锥构型陀螺群中图分类号：V448.22文献标识码：A文章编号：AttitudeControlofDynamicScanningImagingSatelliteofControlMomentGyrosZhaoBolin,LiuKun,ZhangLi(CollegeofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)Abstract:Accordingtotheproblemofattitudecontrolofsatellitedynamicscanningimaging,thedynamicmodelofthesatelliteattitudeisbuiltandthespecificrequirementofdynamicscanningimagingtasksforattitudecontrolisanalysed.Combinedwiththedynamicscanningimagingtasks,atypicallyattitudemaneuverschemeisdesigned.Afterthat,therequiredcontrolmomentoftheprocessofdynamicscanningimagingisestimated.Then,apitchingmaneuvercontrollawbasedontheexpectedtorqueandreal-timeattitudeofsatelliteisdeveloped,andthesteeringlawoffivepyramidconfigurationgyros(FPCGs)isgiven.Anumericalsimulationwaspresentedfordesignedcontrollawbasedonamaneuvertask.Thesimulationresultsprovedthattheproposedschemecansatisfytherequirementofattitudecontrolofdynamicscanningimagingsatellite.Keywords:DynamicScanningImaging;AttitudeControl;AttitudeManeuverScheme;PitchingManeuverControlLaw;FivePyramidConfigurationGyros随着遥感数据应用的飞速发展，传统的遥感卫星已经不能满足要求，敏捷遥感卫星[1-6]在国际应用卫星领域已成为新的研究热点。敏捷遥感卫星所具备的高速机动能力和快速对地定向能力，使卫星的灵活性和在轨观测效率得到了进一步的提高。敏捷遥感卫星具备完成四类成像任务的能力[7]：快速成像，立体观测，图像拼接，扫描成像。在国际商业领域，最早的敏捷遥感卫星是美国在1999年的IKONOS2卫星[8]，之后法国、印度等国也相继推出了自己的系列产品。传统遥感卫星在成像时姿态基本保持不变，而动态扫描成像则是在卫星机动的过程中完成成像任务，卫星的灵活性和综合使用效率得到了更大的提升。同时，机动过程中的扫描成像还可以解决一般遥感卫星无法实现大范围覆盖的问题，即在保证成像高分辨率的同时实现大范围覆盖。此外，对于传统遥感卫星，要实现目标的三维成像，需要安装2-3台相机来解决成像角度问题，而动态扫描成像卫星，只需要安装一台相机，利用敏捷控制技术可实现短时间内对同一目标的不同角度观测，从而实现立体成像[7]。这就大大降低了卫星的研制和运营成本。动态扫描成像卫星的发展，得益于三个方面的技术支撑。首先，更高效图像处理算法的修回日期：2015-07-20作者简介：赵波林（1990—），男，重庆綦江人，博士研究生，Email：beiguochangying@163.com；刘昆（通信作者），男，教授，博士生导师，Email：liukun_open@nudt.edu.cn。提出与实现；其次，高分辨率相机的研制成功最后，姿态控制执行机构的发展，特别是大输出力矩控制力矩陀螺的研制成功。本文选用某型小型控制力矩陀螺（SmallControlMomentGyro,SCMG）作为卫星姿态控制的执行机构组元，单个SCMG的输出力矩就达到，完全能够满足敏捷姿态控制的需求。本文重点研究的是动态扫描成像卫星俯仰通道的姿态控制，主要基于两方面考虑：一方面，俯仰通道与其他两通道存在的耦合较小，控制起来较方便；另一方面，只需要实现俯仰轴的大角度、快速、稳定的机动控制，就可以实现卫星对地目标...