[發明專利]一種小天體探測器繞飛軌道跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202011079369.8
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112214890B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 姚文龍;楊珂;邵巍;池榮虎
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;青島科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B64G1/24;G06F119/14
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 郝團代

本發明公開一種小天體探測器繞飛軌道跟蹤控制方法，根據未知擾動下的小天體探測器繞飛動力學模型設計非線性擾動觀測器估計探測器受到的外部擾動，并將其動態特性補償到控制器；設計自適應律對擾動觀測器輸出的觀測誤差界進行估計；引入動態面技術解決在自適應律設計中對虛擬控制量求導產生的微分爆炸問題；設計與代替符號函數的雙曲正切函數相結合的控制器；將動態面自適應滑?？刂破鞯妮敵鲎鳛閭嗡俾收{制器的輸入，使其輸出驅動推力器工作的調諧振蕩脈沖，驅動推力器在翻滾軸、航向軸、俯仰軸上產生控制力矩抵消干擾力矩；本發明公開的控制方法使小天體探測器在未知擾動下實現高精度繞飛段軌道跟蹤控制。

技術領域

本發明提出了一種小天體探測器繞飛軌道跟蹤控制方法，屬于深空探測技術領域。

背景技術

小天體作為“太陽系的化石”，對它的探索和研究對于人類探索宇宙有著重要的意義。對小天體進行探測，與對月球、火星等進行探測相比較，其探測器需要飛行的距離更遠、時間更長，與地面通信延遲更大；并且由于小天體體積、質量小，表面引力不規則，探測器在繞小天體運行時會受到太陽引力等各種擾動的影響。小天體自身和周圍環境的不確定性，完成著陸、繞飛等一系列運動需要面對外部環境擾動的復雜性，使得其控制方法也需要具備更優異的魯棒性和自適應性，對其進行探測也面臨諸多困難和挑戰。

近些年，Misra等在后續的研究中找到了探測器在不規則小天體附近圓軌道和橢圓軌道繞飛的諧振半徑，分析了軌道半徑和天體自旋角速度等對繞飛穩定性的影響；Mahmut等基于Lyapunov方法設計了繞飛小天體的軌道和姿態反饋控制；王悅等研究了小天體引力力矩對探測器姿態的影響，分析了探測器在靜止軌道繞飛時的姿態穩定性，并在隨后的研究中提出了一類基于非正則哈密頓結構的探測器姿軌一體化控制方法；梁春輝等提出了一種基于反演魯棒自適應滑模的探測器姿態控制方法，以保證探測器在主動盤旋過程中的姿態穩定性。

但以上方法并未針對小天體探測器環繞運動過程中受到外部干擾的影響進行控制，并且沒有計及來自擾動觀測誤差的影響，同時計及反演法中對虛擬控制求導容易引起的微分爆炸問題。因此，本文針對探測器繞飛小天體的運動控制中的以上問題，設計自適應律對擾動觀測器輸出的觀測誤差界進行估計，同時引入動態面技術解決在自適應律設計中對虛擬控制量求導產生的微分爆炸問題，最終設計了一種帶有擾動觀測器同時結合自適應律與動態面技術的探測器推力器滑?？刂品椒?，以實現具有更高魯棒性的探測器高精度軌道跟蹤控制。

發明內容

本發明提供了一種小天體探測器繞飛軌道跟蹤控制方法，解決了現有技術中擾動觀測誤差給軌跡跟蹤帶來的影響，同時引入動態面技術解決在自適應律設計中對虛擬控制量求導產生的微分爆炸問題，提高了系統的魯棒性。

為解決上述技術問題，采用如下技術方案，主要包括以下步驟：

(1)、構造引力勢函數U：

其中，G為萬有引力常數小天體質量，κ＝GM為引力常數，M為擾動向量；I_U＝(I_xx²+I_yy²+I_zz²)/r²，I_x、I_y、I_z分別小天體繞x,y,z軸的轉動慣量，為位置矢量r的長度；所以可以得到小天體對應位置的引力場為：

其中，非球形引力攝動引起的加速度z_p＝[z_p,z_p,z_p]^T＝-[u_xx,u_yy,u_zz]^T/r⁵，式中的u_x、u_y、u_z為：