[發(fā)明專利]基于擴(kuò)張干擾觀測器的柔性航天器姿軌跟蹤控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210561773.1
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN114779799B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李化義;曹芊;馬晨;安詩宇;何文韜;張迎春
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 岳昕

基于擴(kuò)張干擾觀測器的柔性航天器姿軌跟蹤控制方法，涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，針對現(xiàn)有技術(shù)中在柔性航天器跟蹤控制過程中的抗干擾能力和精確性較差的問題，首先，建立含有集總干擾的柔性航天器的相對運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型；其次，設(shè)計(jì)擴(kuò)張干擾觀測器，對系統(tǒng)模型中的集總干擾進(jìn)行估計(jì)；最后，將集總干擾估計(jì)值引入系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)，結(jié)合反步法，設(shè)計(jì)基于擴(kuò)張干擾觀測器的姿軌一體化跟蹤控制器。本申請能夠?qū)崿F(xiàn)對集總干擾的估計(jì)和補(bǔ)償，采用給定控制率可使航天器位姿跟蹤到給定的目標(biāo)航天器的期望位姿，并保證一定的控制器動態(tài)性能，提升柔性航天器跟蹤控制過程中的抗干擾能力和精確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于擴(kuò)張干擾觀測器的柔性航天器姿軌跟蹤控制方法。

背景技術(shù)

未來航天器在電子設(shè)備方面，如在電路、傳感器和執(zhí)行器的設(shè)計(jì)上在愈加趨于大功率化的同時(shí)，也向著小型化發(fā)展。而傳統(tǒng)的基于太陽能轉(zhuǎn)換的動力子系統(tǒng)，即星載的太陽能陣列卻不易實(shí)現(xiàn)小型化，反而在航天器電子設(shè)備的升級換代中越來越向大型化發(fā)展，這就導(dǎo)致陣列相對航天器整體的重量、體積和成本方面所占的比重越來越大，因此大功率衛(wèi)星上的太陽能陣列一般具有非常長的翼展。這種太陽翼一般具有較高的柔性和較低的固有頻率。當(dāng)太陽能陣列受到控制回路動力學(xué)或機(jī)動加速度的激勵(lì)，太陽能陣列的振動將會對整星動力學(xué)產(chǎn)生擾動，進(jìn)而可能會影響到衛(wèi)星的穩(wěn)定，因此有必要在姿軌控制器的設(shè)計(jì)中考慮太陽能陣列柔性的影響。

盡管目前已經(jīng)開發(fā)了各種用于處理各種形式的空間干擾和模型不確定性的控制器，但這些控制器僅應(yīng)用于航天器3自由度的姿態(tài)控制領(lǐng)域，關(guān)于6自由度姿軌耦合下航天器的一體化跟蹤控制的研究上，一般基于航天器的剛體假設(shè)，很少有針對SE(3)上各種干擾，尤其是在柔性附件的振動干擾，進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。正因如此，在柔性航天器跟蹤控制過程中的抗干擾能力和精確性較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：針對現(xiàn)有技術(shù)中在柔性航天器跟蹤控制過程中的抗干擾能力和精確性較差的問題，提出基于擴(kuò)張干擾觀測器的柔性航天器姿軌跟蹤控制方法。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

基于擴(kuò)張干擾觀測器的柔性航天器姿軌跟蹤控制方法，包括以下步驟：

步驟一：獲取目標(biāo)航天器和追蹤航天器的動力學(xué)特征，并基于李群SE(3)框架以及幾何力學(xué)分別建立目標(biāo)航天器的姿軌動力學(xué)模型和追蹤航天器的姿軌動力學(xué)模型；

步驟二：針對所建立的追蹤航天器的姿軌動力學(xué)模型，分離出集總干擾，得到追蹤航天器的姿軌動力學(xué)模型等效模型，基于追蹤航天器的姿軌動力學(xué)等效模型和目標(biāo)航天器的姿軌動力學(xué)模型建立目標(biāo)航天器和追蹤航天器的相對動力學(xué)模型；

所述集總干擾包括追蹤航天器機(jī)動期間柔性陣列的振動、考慮燃料損耗導(dǎo)致的慣量和質(zhì)量的不確定性以及空間環(huán)境擾動；

步驟三：基于目標(biāo)航天器和追蹤航天器的相對動力學(xué)模型設(shè)計(jì)擴(kuò)張干擾觀測器，并利用擴(kuò)張干擾觀測器對集總干擾進(jìn)行估計(jì)，得到干擾估計(jì)值；

步驟四：基于干擾估計(jì)值，并利用反步法設(shè)計(jì)基于擴(kuò)張干擾觀測器的柔性航天器姿軌一體化控制器，利用基于擴(kuò)張干擾觀測器的柔性航天器姿軌一體化控制器完成跟蹤控制。

進(jìn)一步的，所述目標(biāo)航天器的姿軌動力學(xué)模型表示為：