[發明專利]考慮測量誤差及綜合故障的復雜航天器容錯控制方法

在審

• 申請號: 202110814588.4
• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113778047A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 張秀云;宗群;竇立謙;劉文靜
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及航天器故障診斷與容錯控制，為解決綜合故障影響下的航天器有限時間姿態容錯控制問題。本發明,考慮測量誤差及綜合故障的復雜航天器容錯控制方法，首先，考慮執行器乘性故障、加性故障及姿態測量誤差的綜合影響，建立航天器姿態跟蹤誤差動力學模型，并劃分為姿態角子系統及角速度子系統；其次，分別針對姿態角及角速度子系統，提出有限時間自適應多變量指令濾波反步容錯控制策略，實現有限時間濾波誤差補償；引入中間變量進行控制器設計，并設計自適應律實現對故障上界的有限時間估計及補償，解決綜合故障影響；此外，針對兩個子系統中的未知干擾，設計一個自適應律，方便參數調參。主要應用于航天器故障診斷與容錯控制場合。

技術領域

本發明涉及航天器故障診斷與容錯控制技術領域，特別是一種面向綜合故障影響下的復雜航天器容錯控制領域。具體涉及考慮測量誤差及綜合故障的復雜航天器容錯控制方法。

背景技術

作為當今科學技術中發展最快的尖端技術之一，航天科技在軍事領域中發揮著越來越重要的作用，如全球監視與打擊、軍用衛星通信服務、太空執行遂行偵察探測、摧毀軍用衛星太空基地等。衛星完成組網后全天時運行，由于惡劣未知的空間環境及星上元器件的老化等原因，難以避免會發生故障，如果不及時對故障進行處理，有可能導致航天任務執行的滯后，且在戰時狀態，將會導致地面作戰信息丟失，嚴重影響戰場的進程。2005年美法合作發射的“托佩克斯/波塞冬”(TOPEX/Poseidon)海洋探測衛星由于星上用于保持軌道指向的俯仰反作用輪發生失效故障，導致該衛星壽命終結。美軍曾指出天空和海洋是20世紀的戰場，而太空將成為21世紀的戰場，成為現代化戰爭的戰略制高點。近年來，我國的航天事業取得了輝煌的成就。“神舟號”載人飛船、“嫦娥一號”工程、“北斗”導航系統，標志著我國已經在空間探測方面取得了較大的成績。而隨著航天任務復雜程度日益增加，對火箭、衛星等航天器的可靠性提出了更高的要求。因此，開展航天器故障診斷與容錯控制技術研究，探討相關方法在航天器故障診斷中的可行性，對保障航天器安全可靠的運行，減少地面工作人員的工作量及發射與運行成本，推進航天事業的健康發展具有十分重要的理論及現實意義。

然而，由于航天器運行環境復雜未知，且隨著任務和星體結構的復雜性日益增加，模型不確定性等影響也越來越明顯，在干擾及不確定影響下的航天器故障診斷與容錯控制一直是航天領域研究的重點及難點問題。目前，基于觀測器的故障診斷與容錯控制方法應用最為廣泛，通過建立殘差序列，建立故障檢測機制，以達到故障檢測的目的。然而，基于現有理論方法進行衛星故障診斷與容錯控制設計時，存在的不足主要體現在以下幾個方面：(1)大部分研究學者主要單一的針對乘性或加性故障展開研究，而在實際工程中，這兩種故障會同時發生，且針對綜合故障影響下的航天器有限時間容錯控制研究較少；(2)為解決干擾影響下的故障問題，現有手段主要利用復雜坐標變換將干擾及故障解耦，或利用未知輸入成形器，這均需要較復雜的計算，難以滿足星上計算資源有限的實際工程問題，且不能實現有限時間控制；(3)受復雜外界環境干擾影響及星敏本身的能力限制，難以實現對姿態及角速度的精確測量，總會存在一定的測量誤差，會影響系統控制精度。因此，如何綜合考慮測量誤差、乘性及加性故障影響，有效處理干擾影響下的故障問題，實現航天器的有限時間容錯控制是亟需解決的關鍵問題，對保障航天器的安全穩定飛行具有至關重要的理論意義及工程價值。

針對上述局限，在本發明研究中，綜合考慮執行器乘性及加性綜合故障對航天器安全飛行的影響，研究航天器容錯控制策略，采用分環控制思想，將航天器系統劃分為姿態角子系統及角速度子系統，分別進行自適應控制器設計，通過自適應律設計實現對故障上界的有限時間估計及補償，進行整體閉環系統的穩定性證明，保證航天器的有限時間姿態跟蹤控制，并通過仿真驗證所設計容錯控制策略的有效性。

發明內容