[發明專利]一種無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波方法

有效

• 申請號: 201610195609.8
• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN105629986B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 郭雷;遲偉杰;喬建忠;朱玉凱;李文碩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明涉及一種無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波方法，可應用于無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波。

背景技術

無拖曳衛星目前被廣泛應用于地球重力梯度場的測量中，高精度的地球重力梯度場模型可滿足地震監測、測繪保障、海洋氣象以及資源勘探等的迫切需求，極大地促進我國災害預防和經濟社會的發展。自上世紀60年代開始至今，國外學者對無拖曳控制技術進行了大量的研究，并且已成功發射數顆無拖曳衛星，獲得了理想的控制效果和實驗數據，包括德國的CHAMP衛星、美國的GRACE衛星以及歐空局的GOCE衛星。因此，對無拖曳控制技術的研究對擁有我國自主的重力梯度測量衛星具有重大意義。無拖曳衛星的原理是通過內置檢測質量塊，并通過控制衛星和檢測質量塊達到高寧靜的運動特性，能夠達到航天領域對超靜平臺的要求；根據無拖曳衛星的原理，可將其數學模型分為衛星姿態通道、相對位移通道以及檢查質量塊姿態通道。而無拖曳衛星姿態通道的控制目標是使無拖曳衛星的本體坐標系跟蹤軌道坐標系，從而便于無拖曳衛星進行相關的科學任務。

在無拖曳衛星運行的近地軌道中，無拖曳衛星姿態通道面臨的干擾包括：大氣阻力力矩、太陽光壓力矩以及重力梯度力矩等外部環境干擾力矩，慣量不確定性、模型不確定性項、執行機構噪聲以及量測噪聲等來自內部的干擾；并且多源干擾對無拖曳衛星姿態通道的影響很大，無法達到其高精度姿態控制的要求。已有的無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波方法中，哈爾濱工業大學的李傳江等提出了卡爾曼濾波結合最優控制的方法，但存在外部環境干擾力矩過于簡單以及未考慮慣量不確定性、模型不確定性項的能力有界干擾的問題；華中科技大學的李季設計了一種自適應網絡控制器，具有一定的魯棒性和抗干擾性能，但未考慮執行機構噪聲以及量測噪聲的干擾；哈爾濱工業大學的曹喜斌等設計了基于干擾觀測器的控制方法，有效補償了外部環境干擾力矩，但未考慮慣量不確定性、模型不確定性項、執行機構噪聲以及量測噪聲等來自內部的干擾。因此，目前的針對無拖曳衛星姿態通道的控制方法存在未充分考慮多源干擾，保守性較大的問題。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有的針對無拖曳衛星姿態通道的控制方法存在未充分考慮多源干擾，保守性較大的問題，設計一種針對無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波方法。

本發明的技術解決方案為：含有大氣阻力力矩、太陽光壓力矩、重力梯度力矩等外部環境干擾力矩、慣量不確定性、執行機構噪聲、量測噪聲以及模型不確定性項等多源干擾的無拖曳衛星姿態通道。首先，建立含有多源干擾的無拖曳衛星姿態通道的數學模型；其次，建立外部環境干擾力矩的數學模型；再次，設計針對無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波器；最后，設計最優控制器，進行反饋控制。

具體實施步驟如下：

(1)建立含有多源干擾的無拖曳衛星姿態通道的數學模型：

y(t)＝Hx(t)+v(t)

其中，x(t)為含有多源干擾的無拖曳衛星姿態通道的數學模型的狀態變量，y(t)為含有多源干擾的無拖曳衛星姿態通道的數學模型的輸出變量，系數矩陣H＝[I_3×3 0_3×3]，ω₀為軌道角速度，無拖曳衛星的標稱轉動慣量J₀＝diag{J_0x,J_0y,J_0z}，u(t)為無拖曳衛星所受到的控制力矩，d(t)為無拖曳衛星所受到的外部環境干擾力矩，d_J(t)為慣量不確定性帶來的等價干擾，w(t)和v(t)分別表示無拖曳衛星姿態通道的執行機構噪聲和量測噪聲；

(2)建立外部環境干擾力矩的數學模型：

其中，ψ(t)為外部環境干擾力矩的數學模型的狀態變量，P和Q為系數矩陣，ξ(t)為模型不確定性項；

(3)建立增廣的含有多源干擾的無拖曳衛星姿態通道的數學模型：

其中，系數矩陣

(4)設計針對無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波器：

其中，為的估計值，為的估計值，K為針對無拖曳衛星姿態通道的抗干擾濾波器的增益矩陣；

(5)設計最優控制器，進行反饋控制：

其中，L為最優控制器的增益矩陣，Q為干擾狀態空間模型的系數矩陣，為含有多源干擾的無拖曳衛星姿態通道的數學模型狀態變量x(t)的估計值，為外部環境干擾力矩的數學模型狀態變量ψ(t)的估計值。