[發明專利]控制受限衛星編隊飛行系統的時變反饋有限時間控制方法

有效

• 申請號: 202011233304.4
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112286058B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 周彬;張凱;侯明哲;姜懷遠;段廣仁
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B64G1/24;B64G1/10
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 高志光

控制受限衛星編隊飛行系統的時變反饋有限時間控制方法，方法包括，步驟一：建立控制受限衛星編隊飛行系統的軌道動力學模型并得到狀態空間方程，建立待跟蹤信號模型并得到狀態空間方程；步驟二：建立參量Lyapunov方程并分析其性質，通過參量Lyapunov方程的正定解，設計顯式的線性時變反饋控制律，建立輸出調節方程，通過輸出調節方程的解，設計顯式的線性時變前饋控制律，通過線性時變反饋控制律和線性時變前饋控制律設計控制受限衛星編隊飛行系統的時變狀態控制器；步驟三：通過構造顯式的Lyapunov函數，利用參量Lyapunov方程和調節方程解的性質設計控制器參數，保證伴飛衛星在有限時間內完成跟蹤任務。本發明為實現控制受限情形下衛星編隊飛行系統的有限時間控制。

技術領域

本發明涉及控制受限衛星編隊飛行系統的時變反饋有限時間控制方法。

背景技術

衛星編隊飛行實質上是利用多個飛行中的衛星組成一定形狀的系統，各顆衛星之間通過星間通信相互聯系、協同工作，共同承擔空間信號的采集與處理等任務。衛星伴飛作為一種主要的衛星編隊飛行構型受到了包括美國國家航空航天局、美國空軍和歐空局在內的多家著名航空航天研究機構的廣泛關注。衛星伴飛系統由目標衛星和伴飛衛星構成，其中伴飛衛星以指定的軌跡圍繞目標衛星做相對運動。從目前來看，伴飛衛星的主要作用是對主衛星進行觀測并輔助其完成相關任務。

衛星伴飛系統的控制問題可以轉化為跟蹤控制問題。傳統的跟蹤控制算法大多能夠實現閉環系統漸近跟蹤，即系統狀態在時間趨于無窮時才能完成對軌跡的跟蹤任務。然而傳統的跟蹤控制算法并不能滿足一些特殊的任務需求，即有限時間跟蹤控制任務。有限時間控制器實現了閉環系統能在有限時間內收斂到期望狀態的需求，另一方面，受執行機構推力的限制，伴飛衛星只能提供有限的加速度，如果在進行控制器的設計中不考慮此問題，理論計算需要的產生的加速度可能會大于推力器實際能產生的加速度，輕者影響控制效果，重者甚至會導致系統不穩定。因此，針對控制受限衛星伴飛系統設計有限時間跟蹤控制算法具有重要的理論與工程意義。

目前，傳統衛星伴飛系統的有限時間控制大都采用了非光滑反饋控制方法，例如滑模控制算法等。然而該方法會帶來抖振、控制器輸入幅值較大等缺點。

發明內容

本發明為實現控制受限情形下的衛星編隊飛行任務，而提供了一種基于光滑時變反饋的控制受限衛星編隊飛行系統的時變反饋有限時間控制方法。

控制受限衛星編隊飛行系統的時變反饋有限時間控制方法，它包括：

步驟一：建立控制受限衛星編隊飛行系統的軌道動力學模型并得到狀態空間方程，建立待跟蹤信號模型并得到狀態空間方程；

步驟二：建立參量Lyapunov方程并分析其性質，通過參量Lyapunov方程的正定解P(γ)，設計顯式的線性時變反饋控制律，然后建立輸出調節方程，通過輸出調節方程的解，設計顯式的線性時變前饋控制律，最后通過線性時變反饋控制律和線性時變前饋控制律設計控制受限衛星編隊飛行系統的時變狀態控制器；

步驟三：通過構造顯式的Lyapunov函數，利用參量Lyapunov方程和調節方程解的性質設計控制器參數，保證伴飛衛星在有限時間內完成跟蹤控制任務。

本發明相比現有技術的有益效果是：

控制受限衛星編隊飛行系統的時變反饋有限時間控制方法，本發明所提出的方法最顯著的優點是，針對控制受限情形下的衛星編隊飛行系統，設計者通過參量Lyapunov方程的正定解和調節方程的唯一解，設計顯式的時變狀態控制律，通過構造顯式的Lyapunov函數，保證衛星伴飛系統在有限時間內完成伴飛任務。

通過求解步驟二的參量Lyapunov方程和調節方程，得到控制受限情形下的顯式時變有限時間跟蹤控制控制律，并且仿真結果說明：基于時變反饋控制律的閉環系統在有限時間內實現跟蹤控制任務，即伴飛衛星在有限時間內完成對給定軌跡的跟蹤。

下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步地說明：