[發明專利]一種基于混雜強制型觀測器的網絡化航天器姿態控制方法

有效

• 申請號: 202011242079.0
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112363522B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 袁源;于洋;張博
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;西北工業大學深圳研究院
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明公開了一種基于混雜強制型觀測器的網絡化航天器姿態控制方法，屬于航天器姿態控制領域；首先從含有隨機欺騙攻擊的網絡化航天器姿態動力學方程入手，建立其擴張系統；然后設計靜態事件觸發機制；其次利用含有事件觸發及網絡欺騙攻擊的傳感信號設計混雜強制型觀測器觀測航天器姿態系統中的未知非線性項及系統狀態；最終基于觀測器的輸出值設計復合控制器，避免了網絡欺騙攻擊及航天器網絡化系統內外擾動對系統造成不利影響，提高系統的魯棒性，減少了傳感器測得的數據量的傳輸，為空間操作任務的順利完成提供保障。本發明對考慮帶有網絡欺騙攻擊的航天器網絡化姿態控制系統有良好的控制效果，能廣泛應用于其他含有多非線性網絡化控制系統中。

技術領域

本發明屬于航天器姿態控制領域，具體涉及一種基于混雜強制型觀測器的網絡化航天器姿態控制方法。

背景技術

航天器姿態控制屬于空間操作過程中的重要組成部分。隨著國際空間技術的迅速發展和航空航天應用需求的增加，新一代航天器包括現代衛星、空間站、宇宙飛船、宇宙探測器等，需要具有高可靠性、可重構性和多模塊化的特性。網絡化控制系統減少了系統布線，便于系統診斷和維護，并增加了系統靈活性。因此將網絡化控制系統分析方法集成到下一代航天器控制系統，以及多個航天器通過無線網絡通信構成航天器網絡化控制系統，協同完成單個航天器無法實現的任務是航天領域未來重要的發展方向。由于閉環系統中引入了網絡，也帶來了新的問題和挑戰：由于網絡的帶寬通常是有限的且存在噪聲等因素，從傳感器到控制器通道的輸出信號以及從控制器到執行器通道的控制命令可能被延遲甚至丟失，同時通信網絡往往會受到惡意的網絡攻擊等等；另一方面考慮空間環境的復雜性，例如航天器的控制力矩不可避免地受到重力梯度力矩、太陽光壓力矩、氣動力矩等各種外部環境的干擾，并且隨著任務的進行、燃料的消耗，航天器的慣性矩陣的確切值無法實時獲得。這些問題都有可能導致系統的性能下降，嚴重的會使系統失穩甚至出現故障，對航天器的高精度穩定性控制以及快速精準地完成空間操作任務帶來嚴重的影響。因此，研究復雜空間環境下航天器網絡化控制系統的實時穩定地控制是保證空間操作任務順利進行的前提，同時也是保證航天技術實現跨越式發展的關鍵。

針對非線性系統的狀態估計，目前相關研究人員普遍將各種非線性當作“總和擾動”，并滿足某種特定假設，利用系統傳感器測得的實際輸出狀態，采樣多種形式的干擾觀測器、擴張狀態觀測器對系統其它狀態和非線性進行估計。然而，針對航天器網絡化控制系統，傳感器測得的狀態通過網絡傳輸，當傳輸的狀態受到攻擊者的惡意攻擊后，將直接影響觀測器的估計精度，嚴重者會進一步放大攻擊信號，最終導致航天器控制紊亂。除此之外，為了確保航天器網絡通信順暢，必須避免大量傳輸數據造成網絡擁堵現象發生。因此，在含有內外擾動非線性以及網絡攻擊的情況下，尋求針對性的估計方法以及控制策略，確保航天器網絡化系統安全穩定地完成定向任務顯得尤為重要。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于混雜強制型觀測器的網絡化航天器姿態控制方法，本發明能夠減少數據量的傳輸，避免網絡擁堵，同時解決帶有擾動非線性及隨機欺騙攻擊的航天器姿態控制，保證其安全順利地完成姿態控制工作。

本發明的目的，通過如下技術方案實現：

一種基于混雜強制型觀測器的網絡化航天器姿態控制方法，包括如下過程：

構建含有欺騙攻擊的網絡化航天器姿態動力學模型；

利用所述網絡化航天器姿態動力學模型構建含有欺騙攻擊的網絡化航天器姿態動力學擴張系統；

針對所述網絡化航天器姿態動力學擴張系統，設計混雜強制型觀測器；

設計靜態事件觸發機制，根據所述混雜強制型觀測器和靜態事件觸發機制判斷事件觸發機制是否觸發；

采用狀態反饋控制，并將所述混雜強制型觀測器估計出的非線性不確定項實時補償到狀態反饋控制器中，得到用于網絡化航天器姿態控制的控制器，利用所述控制器進行航天器網絡化姿態控制。