[發明專利]一種對組合體航天器全部質量參數辨識的姿軌耦合控制方法

有效

• 申請號: 202011362675.2
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112478200B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 段廣仁;趙琴
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 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: 岳昕

1.一種對組合體航天器全部質量參數辨識的姿軌耦合控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、建立組合體航天器的相對姿軌耦合動力學方程；所述組合體航天器由服務航天器、機械臂和非合作目標組成；

所述建立組合體航天器的相對姿軌耦合動力學方程的具體過程為：

建立地心慣性坐標系O-x_iy_iz_i、組合體航天器本體坐標系O_p-x_py_pz_p、虛擬坐標系O_t-x_ty_tz_t和參考坐標系O_o-x_oy_oz_o；

所述地心慣性坐標系O-x_iy_iz_i以地心O為原點，x_i軸在赤道面內、并指向春分點，z_i軸與地球自轉軸重合，并指向北極方向，y_i軸與x_i軸和z_i軸滿足右手定則；

所述組合體航天器本體坐標系O_p-x_py_pz_p以組合體航天器的質心為原點O_p，x_p軸、y_p軸和z_p軸與服務航天器的慣性主軸重合，x_p軸、y_p軸和z_p軸滿足右手定則構成直角坐標系；

所述虛擬坐標系O_t-x_ty_tz_t以組合體航天器期望的位置為原點O_t，x_t軸、y_t軸和z_t軸三軸相互垂直并滿足右手定則，x_t軸、y_t軸和z_t軸的指向代表了組合體航天器的期望姿態；

所述參考坐標系O_o-x_oy_oz_o選取組合體航天器中已知位置的任意一點為原點O_o，x_o軸、y_o軸、z_o軸分別與x_p軸、y_p軸、z_p軸平行且指向相同；

利用修正羅德里格參數σ表示組合體航天器由組合體航天器本體坐標系O_p-x_py_pz_p到虛擬坐標系O_t-x_ty_tz_t的相對姿態，ω為組合體航天器當前角速度與期望角速度之間的相對角速度在組合體航天器本體坐標系O_p-x_py_pz_p中的坐標表示，在組合體航天器本體坐標系O_p-x_py_pz_p中，組合體航天器的相對姿態動力學和運動學方程為：

其中，為σ的一階導數，G(σ)為中間變量，上角標T代表轉置，I₃為3×3的單位矩陣，S(·)表示對于任意的向量a＝[a₁ a₂ a₃]^T都有

為ω的一階導數，為組合體航天器相對于慣性空間的角速度在組合體航天器本體坐標系O_p-x_py_pz_p中的坐標表示，為組合體航天器相對于地心慣性坐標系O-x_iy_iz_i的期望角速度在坐標系O_t-x_ty_tz_t中的坐標表示，為坐標系O_t-x_ty_tz_t到坐標系O_p-x_py_pz_p的旋轉矩陣，J為組合體航天器的轉動慣量矩陣，τ為控制力拒，C_r和n_r均為中間變量；

中間變量C_r的表達式為：中間變量n_r的表達式為：為的一階導數；

利用p表示組合體航天器當前位置與期望位置的相對位置矢量，v表示組合體航天器當前速度與期望速度的相對速度矢量，在坐標系O_p-x_py_pz_p中，組合體航天器的相對軌道動力學模型為：

其中，為p的一階導數，為v的一階導數，m為組合體航天器的質量，μ是地球引力常數，r_p為組合體航天器當前位置到地球質心的距離，f為控制力，為組合體航天器期望位置相對于地心的位置矢量在坐標系O_t-x_ty_tz_t中的坐標表示，為的二階導數；

為組合體航天器的當前位置相對于地心的位置矢量在坐標系O_p-x_py_pz_p中的坐標表示；

假設服務航天器的形狀為長方體，服務航天器的長、寬、高分別為L₁、L₂、L₃，則控制輸入u為：

其中，F為推力器產生的力的向量，F＝[F₁ F₂ F₃ F₄ F₅ F₆]^T，控制輸入矩陣A(ρ)為：

其中，ρ_x為組合體航天器質心在參考坐標系的x_o軸方向上的分量，ρ_y為組合體航天器質心在參考坐標系的y_o軸方向上的分量，ρ_z為組合體航天器質心在參考坐標系的z_o軸方向上的分量；

選取系統狀態其中，x₁和x₂為系統狀態變量，x₁＝[p^T σ^T]^T,x₂＝[v^Tω^T]^T，根據公式(1)、(2)和(3)得到組合體航天器的相對姿軌耦合動力學方程為：

其中，為x₁的一階導數，為x₂的一階導數，中間變量Λ、C₁、C₂、M和n的表達式分別為：

步驟二、根據步驟一中建立的相對姿軌耦合動力學方程，得到與質量參數估計誤差相關的中間變量ε_j的表達式；

所述步驟二的具體過程為：

定義：對于任意的向量b＝[b₁ b₂ b₃]^T，有

令θ＝[J₁₁ J₂₂ J₃₃ J₂₃ J₁₃ J₁₂]^T表示由組合體航天器轉動慣量矩陣中的未知元素組成的向量，Θ＝[m θ^T ρ^T]^T為由組合體航天器的未知質量參數組成的向量，ρ為組合體航天器的質心位置坐標，為Θ對應的估計值，為m對應的估計值，為θ對應的估計值，為ρ對應的估計值，為質量參數估計誤差，令x_j和F_j分別為x和F在時刻t_j的取值，根據公式(4)得：

Ψ₁Θ＝A₁F (5)

其中，Ψ₁為回歸矩陣，Ψ₁＝[N₁+N₂+N₃ -H(F)]，N₁、N₂、N₃和H(F)均為中間變量，

且有

令

其中，Ψ_1,j為回歸矩陣Ψ₁在t_j時刻的取值，ε_j為中間變量；

步驟三、選擇并存儲推力器輸出數據和回歸矩陣數據；

所述步驟三的具體過程為：

為一個堆棧，將t_j時刻對應的回歸矩陣數據Ψ_1,j和推力器輸出數據F_j作為數據對(Ψ_1,j,F_j)存入到中；

若當前時刻回歸矩陣數據Ψ₁與t_j時刻對應的回歸矩陣數據Ψ_1,j存在差異，并滿足如下不等式：

其中，||·||為范數，κ為一個給定的正數，則將此時記為t_j+1時刻，并將當前時刻回歸矩陣數據和推力器輸出數據作為t_j+1時刻的數據對(Ψ_1,j+1,F_j+1)存入到堆棧中；

步驟四、根據是否滿足質量參數辨識的充分條件，利用步驟三存儲的數據來計算組合體航天器控制系統的控制輸入和辨識全部質量參數；

所述步驟四的具體過程為：

設計組合體航天器的虛擬控制為其中K₁為對角正定矩陣，α₁和α₂分別為鎮定相對位置和相對姿態的虛擬控制，α的導數為

當滿足質量參數辨識的充分條件時，利用步驟三中存儲的數據，組合體航天器跟蹤位置和姿態軌跡的控制輸入為：

其中，K₂為正定矩陣，

其中，為ρ_x的估計值，為ρ_y的估計值，為ρ_z的估計值；

通過以下自適應律來辨識全部的質量參數：

其中，中間變量Ψ₂＝[Ν₁+N_2'+N_3' -H(F)]，Γ和K₃均為正定矩陣；

當不滿足質量參數辨識的充分條件時，采用以下自適應律辨識全部質量參數；

其中，為的一階導數；

所述質量參數辨識的充分條件為：

rank(Ω)＝10，其中，中間變量矩陣rank(·)表示對括號內的矩陣求秩。

2.根據權利要求1所述的一種對組合體航天器全部質量參數辨識的姿軌耦合控制方法，其特征在于，所述堆棧最多容許存儲q對數據，當堆棧存儲滿時，則替代中最早存儲的數據對。