[發(fā)明專利]考慮通信受限的航天器編隊(duì)有限時間軌道跟蹤控制方法

在審

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• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113568431A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉瑞霞
• 申請（專利權(quán)）人: 西安郵電大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西安亞信智佳知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61241
• 代理人: 駱怡潔

本發(fā)明關(guān)于考慮通信受限的航天器編隊(duì)有限時間軌道跟蹤控制方法。包括：建立航天器編隊(duì)相對軌道模型；建立磁滯量化器模型，采用磁滯量化器對航天器編隊(duì)相對軌道模型中的從航天器的控制輸入信號進(jìn)行量化；為了便于進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，定義中間變量；基于反步法和加冪積分技術(shù)，進(jìn)行虛擬控制器的設(shè)計(jì)；根據(jù)所設(shè)計(jì)的中間變量和虛擬控制器，獲得考慮通信受限的航天器編隊(duì)有限時間跟蹤控制器。該控制器可以確保編隊(duì)航天器在有限時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對期望狀態(tài)的跟蹤控制，采用反步法和加冪積分技術(shù)可以避免傳統(tǒng)采用滑模控制方法設(shè)計(jì)有限時間跟蹤控制器時的奇異和不連續(xù)問題，此外在控制器設(shè)計(jì)中通過磁滯量化器的引入有效地減輕了控制系統(tǒng)的通信負(fù)載。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及考慮通信受限的航天器編隊(duì)有限時間軌道跟蹤控制方法。

背景技術(shù)

隨著航天器技術(shù)的飛速發(fā)展，航天器編隊(duì)飛行已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)的大型單個航天器，由多個結(jié)構(gòu)簡單、成本低、研發(fā)周期短的小型航天器組成的編隊(duì)航天器系統(tǒng)具有系統(tǒng)成本低、可靠性高和適應(yīng)性和靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢。在編隊(duì)航天器的控制器設(shè)計(jì)中，收斂速度是一個重要的指標(biāo)。隨著編隊(duì)航天器任務(wù)的日益復(fù)雜，對航天器編隊(duì)控制系統(tǒng)的收斂速度和控制精度都提出了更高的要求。相對于漸近穩(wěn)定控制，有限時間控制具有魯棒性強(qiáng)、收斂速度塊和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前在編隊(duì)航天器控制領(lǐng)域已經(jīng)得到一定的應(yīng)用。但是現(xiàn)有的有限時間控制方法多為基于滑模控制方法，這就不可以避免的存在奇異和不連續(xù)問題。為此，反步控制法與加冪積分方法被用于有限時間控制器的設(shè)計(jì)。但目前針對航天器編隊(duì)軌道控制系統(tǒng)，還鮮有基于反步法與加冪積分方法的有限時間控制器的研究。

此外，隨著網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于航天工程系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)、水下機(jī)器人系統(tǒng)、以及電力系統(tǒng)。在現(xiàn)代的航天器編隊(duì)控制系統(tǒng)中，不同模塊之間的通信采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。無線通信網(wǎng)絡(luò)的采用可以有效的降低航天器的重量以及安裝和維護(hù)成本，但也不可避免的帶來一系列的問題，例如通信時延、數(shù)據(jù)丟包以及量化等。當(dāng)控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)對量化后的信息進(jìn)行傳輸時，不可以避免的會引入量化誤差，如果不能夠有效地對量化誤差進(jìn)行處理必將導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能的降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，對系統(tǒng)的控制精度和收斂速度帶來新的挑戰(zhàn)。因此有必要提出一種既能保證系統(tǒng)有限時間穩(wěn)定，又盡可能的減少控制系統(tǒng)通信量，還能對系統(tǒng)外部擾動具有強(qiáng)魯棒性的控制技術(shù)。

需要注意的是，本部分旨在為權(quán)利要求書中陳述的本發(fā)明的實(shí)施方式提供背景或上下文。此處的描述不因?yàn)榘ㄔ诒静糠种芯统姓J(rèn)是現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供考慮通信受限的航天器編隊(duì)有限時間軌道跟蹤控制方法，進(jìn)而至少在一定程度上克服由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺陷而導(dǎo)致的一個或者多個問題。

本發(fā)明實(shí)施例提供考慮通信受限的航天器編隊(duì)有限時間軌道跟蹤控制方法，該方法包括：

建立航天器編隊(duì)相對軌道模型；

建立磁滯量化器模型，采用磁滯量化器對航天器編隊(duì)相對軌道模型中的從航天器的控制輸入信號進(jìn)行量化；

為了便于進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，定義中間變量；

中間變量定義后，基于反步法和加冪積分技術(shù)，進(jìn)行虛擬控制器的設(shè)計(jì)；

基于中間變量和虛擬控制器的設(shè)計(jì)，獲得考慮通信受限的航天器編隊(duì)有限時間軌道跟蹤控制器。

本發(fā)明的實(shí)施例中，所述航天器編隊(duì)相對軌道模型為航天器編隊(duì)飛行的誤差相對運(yùn)動動力學(xué)模型，且所述航天器編隊(duì)飛行的誤差相對運(yùn)動動力學(xué)模型為：

其中，位置跟蹤誤差e₁(t)和速度跟蹤誤差e₂(t)的定義分別如下；