[發明專利]一種基于事件觸發通信的航天器抗干擾姿態協同控制方法

有效

• 申請號: 202010174427.9
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111284732B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 王陳亮;黃雨情;喬建忠;郭雷;魏嫣然
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 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;鄧治平

1.一種基于事件觸發通信的航天器抗干擾姿態協同控制方法，其特征在于，步驟如下：

步驟(1)針對一組剛性航天器，包括領航航天器和跟隨航天器，用修正羅德里格參數(MRPs)描述跟隨航天器姿態運動學參數和動力學參數；對航天器的未知有界干擾進行建模，該模型用于描述多種實際干擾；

步驟(2)設計干擾觀測器，對干擾進行估計，使得干擾估計誤差指數收斂到零；

步驟(3)建立濾波器并引入事件觸發機制，描述航天器間的不連續通信；

步驟(4)結合干擾觀測器和濾波器，基于反步法設計控制器，保證所有閉環信號都一致有界，且姿態跟蹤誤差能夠收斂到小于預定閾值的殘集內；

所述步驟(1)，考慮一組m+1個剛性航天器，其中航天器0為領航航天器，航天器1到m為跟隨航天器；

首先，定義如下記號：I_r為r×r的單位矩陣；||·||代表向量的歐幾里德范數或矩陣的相應的誘導范數；對稱正定矩陣的最大和最小特征值分別表示為λ_max(·)和λ_min(·)；對于向量x＝[x₁,x₂,x₃]^T∈R³，x^×記作斜對稱矩陣，其形式為

跟隨航天器姿態運動學和動力學方程用修正羅德里格參數(MRPs)表示：

其中，i＝1,…,m；σ_i∈R³記為MRPs，表示第i個跟隨航天器的本體坐標B_i相對于慣性坐標系Γ的修正羅德里格參數(MRPs)；ω_i∈R³為第i個跟隨航天器的本體坐標B_i相對于慣性坐標系Γ的角速度；J_i∈R^3×3和τ_i∈R³分別為第i個跟隨航天器的慣性矩陣和控制力矩；d_i(t)＝[d_i,1(t),d_i,2(t),d_i,3(t)]^T∈R³為未知有界干擾；

然后，航天器i受到的未知有界干擾描述為：

d_i＝S_iξ_i,

其中，是干擾系統的不可測狀態變量，n_i表示這個狀態變量的維數，當t＝0時，初始狀態ξ_i(0)未知，和為已知常數矩陣，且W_i的特征值具有非正實部；該模型能夠描述許多實際干擾，

其中，j＝1,2,3，d_i,j表示d_i的第j個分量，k＝0,…,ι_i，ι_i是一個整數，γ_i,j,k是未知幅值，是未知相位，ζ_i,j,k是頻率；航天器的多種干擾與軌道有關，其頻率由軌道參數計算得到；

領航者的姿態運動是由決定的，其中ω₀和有界；用包含節點集N＝{0,1,…,m}和邊集的有向圖G描述m+1個航天器之間的通信拓撲；一條邊(i,j)∈E表示航天器j可以從航天器i中獲取信息；在這種情況下，航天器i稱為航天器j的入鄰，而航天器j稱為航天器i的出鄰；航天器i的入鄰集合和出鄰集合分別記為和從航天器i₁到航天器i_k的定向路徑是一系列形如(i₁,j₂),(i₂,j₃),…,(i_k-1,j_k)的邊；鄰接矩陣A＝[a_ij]＝∈R^(m+1)×(m+1)定義為若(j,i)∈E則a_ij＝1，其他情況下a_ij＝0；自邊緣是不允許的，即a_ii＝0；Laplace矩陣Q＝[q_ij]＝∈R^(m+1)×(m+1)定義為：當i≠j時，q_ij＝-a_ij，而假設領航航天器沒有入鄰且其運動獨立于跟隨航天器的運動，則Q寫成：

其中，Q₁∈R^m涉及領航航天器到跟隨航天器的通信，Q₂∈R^m×m涉及跟隨航天器之間的通信；如果存在一個稱為根的航天器使得有從根到其它航天器的路徑，那么稱這個圖包含一個生成樹；控制目標是設計一個分布式控制方案使得整個閉環系統內所有信號有界,并且跟隨航天器的姿態σ_i(t),i＝1,…,m，能跟蹤領航航天器的姿態σ₀(t)；假設圖G包含一個以領航航天器為根的生成樹，則Q₂非奇異且存在一個正定對稱矩陣P使得正定對稱；同時假定(W_i,S_i)是可觀測的，從而避免了部分航天器被孤立的現象。