[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

本發明涉及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，包括以下步驟：首先，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方程和動力學方程，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；其次，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；然后，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；最后，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。該方法保證了多航天器在無連續通信的情況下實現姿態協同跟蹤，且可補償未知干擾。

技術領域

本發明涉及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，主要應用于在未知干擾下剛性航天器的分布式姿態協同控制，同時基于濾波器和事件觸發機制，給出各航天器的通信方式，屬于航天器控制技術領域。

背景技術

航天器姿態控制是航天領域和控制領域的一個重要問題，對航天器完成任務起著至關重要的作用。針對單航天器，通過滑?？刂?、自適應控制、模型預測控制等不同方法，已開發出多種姿態控制方案。

最近，在航天器編隊飛行，太空干涉測量和在軌服務等方面的應用需求越來越多，多個航天器的分布式姿態協同控制也因此受到越來越多的關注，控制目標在于為每個航天器設計一個局部控制器，利用其自身及其鄰居的信息來實現姿態的一致性。在一些早期的研究成果中，假定所有跟隨航天器都能得到領航航天器的姿態信息，而后發展為只需要部分跟隨航天器獲取領航航天器信息，在一定程度上減少了通信負擔。另外，在現有的許多姿態協同控制方案中，大多要求描述通信拓撲的圖是無向連通的，而考慮一般有向圖的方案卻需要額外假設，比如角加速度信息可測量、可傳遞，但是在實際應用中，測量航天器角加速度通常是不現實的，因此，考慮一般有向圖通信拓撲下航天器的協同控制問題是很有必要的。同時，航天器在飛行過程中也會受到很多干擾的影響，而很多控制方法沒有考慮干擾或者只考慮特定范圍內的干擾，所以航天器抗干擾問題也需進一步研究。

此外，在現有的姿態協同控制方案中，要求相鄰航天器之間的通信是連續的。然而，每個航天器的通信功率是有限的，通信網絡的帶寬也是有限的。因此，在許多實際情況下，硬件條件并不能支持航天器的連續通信。因此，綜合以上問題，亟需設計考慮外部干擾且無需連續通信的航天器姿態協同控制方法，實現姿態跟蹤，并且降低通信負擔。

目前，針對航天器協同控制問題，許多學者提出了一些方法。專利申請號為201910221537.3中提出了基于分布式高階滑模估計器的航天器姿態協同控制方法，考慮了部分跟隨航天器獲得領航航天器的信息，但存在問題如下：(1)只考慮了無向圖的通信拓撲結構，未能考慮更一般的有向圖情況；(2)航天器間通信要求是連續的，通信負擔較重；專利申請號為201811608556.3提出了一種航天器編隊有限時間姿態容錯控制方法，考慮了航天器受到干擾力矩的影響，但只考慮了時不變干擾，沒有考慮時變干擾；專利申請號為201810826026.X中提出了基于積分滑模與模型預測控制的多航天器協同控制方法，優化模型求解較為復雜。綜上所述，現有的專利成果缺少考慮一般有向圖的通信拓撲、較大范圍的干擾以及相鄰航天器間無連續通信的控制方法。為解決此類問題，亟需設計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。

發明內容

本發明的技術解決問題是：航天器姿態控制是航天領域和控制領域的一個重要問題，對航天器完成任務起著至關重要的作用。

為了解決以上技術問題，本發明設計了一種無Zeno現象的事件觸發通信策略，避免相鄰航天器之間的連續通信。此外，為每個跟隨航天器構造了一個非線性觀測器，能夠精確地估計和外部干擾。該方案能夠保證所有閉環信號的有界性，并使得姿態跟蹤誤差收斂到小于預定閾值的殘集內。