一种含模型参数不确定性平流层卫星的经向偏移分级控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含模型参数不确定性平流层卫星的经向偏移分级控制方法，通过 把系统分解为含参数不确定性的三个级联子系统，并根据相应子系统分别设计自适应控制 律、反馈线性化控制律和滑模变结构控制律来实现平流层卫星的经向偏移控制，为平流层 卫星的环地球炜度自主飞行提供了更可靠的技术方案，属于自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 临近空间为海拔20~IOOkm的空间范围，其底部（海拔10~50km)为平流层范 围。平流层大气上下对流小，以稳定的大气环流为主。临近空间飞行器主要工作在海拔20km 以上平流层。作为一种新型临近空间飞行器，平流层卫星在传统高空气球的基础上加装了 动力装置来控制其经向偏移，以实现在稳定的大气环流作用下环地球炜度方向飞行。如图 1所示，本发明针对的平流层卫星由高空气球、吊舱、系绳和带方向舵的气动帆构成。其中 气球工作在海拔35km的高度，而气动帆通过长达15km的系绳悬挂于气球之下，工作在海拔 20km的高度。气球和气动帆所在高度的风速差可达20m/s，调整气动帆方向舵可利用这一 风速差改变气动帆的偏航角，从而改变气动帆所受的气动力，该气动力通过系绳作用于气 球进而控制平流层卫星的经向偏移。与其它同类型的平流层飞行器相比，平流层卫星在能 耗、制造、发射、回收和维护等方面有诸多优势。
[0003] 为实现平流层卫星经向偏移的控制，现有的控制设计多基于参数已知的确定模 型。实际上，受工作环境和测量精度的影响，一些模型参数（主要是惯性参数和气动参数） 不可避免地具有不确定性，故无法得到参数已知的确定模型，也就难以实现平流层卫星经 向偏移的有效控制。本发明的控制律设计基于一种六自由度动力学模型，模型中的惯性参 数（气球附加惯性质量和气动帆转动惯量）与气动参数（气球阻力系数、气球等效面积、气 动帆气动中心和方向舵气动中心）均存在不确定性。理论分析表明，对此模型无法用整体 反馈线性化方法设计控制律进行经向偏移控制，故依据平流层卫星的飞行机理，从六自由 度动力学模型中提取出含参数不确定性的三个级联子系，并针对这三个子系统依次设计自 适应控制律、反馈线性化控制律和滑模控制律，更可靠地实现平流层卫星经向偏移的高精 度控制。
【发明内容】
[0004] (1)目的：本发明旨在提供一种含模型参数不确定性的平流层卫星经向偏移分级 控制方法，它涉及三个含参数不确定性级联子系统的自适应控制律、反馈线性化控制律和 滑模变结构控制律设计。
[0005] (2)技术方案：本发明的主要内容是：首先确定实现平流层卫星经向偏移控制所 用的六自由度动力学模型，然后对其进行参数不确定性分析，接着为克服无法用整体反馈 线性化方法直接设计平流层卫星经向偏移控制律的难点，根据平流层卫星的飞行机理，从 上述六自由度模型中提取出"球-绳子系统"、"绳-帆子系统"和"帆-舵子系统"这三个 含不确定参数的级联子系统模型，再将"舵控制球"的控制问题分解为"舵控制帆"、"帆控制 绳"和"绳控制球"这三个子控制问题，并分别设计这三个子问题的控制律。先基于"球-绳 子系统"模型用自适应控制方法设计出实现平流层卫星经向偏移控制所需的系绳侧偏角， 再基于"绳-帆子系统"模型用反馈线性化方法设计出跟踪系绳侧偏角所需的气动帆偏航 角，最后基于"帆-舵子系统"模型用滑模控制方法设计出跟踪气动帆偏航角所需的方向舵 偏角。分别选取三个级联子系统的控制器参数，使"帆-舵子系统"的响应速度快于"绳-帆 子系统"，且"绳-帆子系统"的响应速度快于"球-绳子系统"，最终可在含模型参数不确定 性的情况下更可靠地实现平流层卫星经向偏移的高精度控制。
[0006] 为实现上述方案，本发明"一种含模型参数不确定性的平流层卫星经向偏移分级 控制方法"的具体设计步骤如下：
[0007] 步骤一选取控制模型，这里采用一种平流层卫星六自由度动力学模型；
[0008] 步骤二分析模型参数不确定性，其中主要考虑惯性参数和气动参数的不确定性；
[0009] 步骤三从六自由度动力学模型中分别提取出"球-绳子系统"、"绳-帆子系统"和 "帆-舵子系统"模型，并定义组合参数；
[0010] 步骤四基于"球-绳子系统"模型用自适应控制方法设计跟踪平流层卫星经向期 望轨迹所需的系绳侧偏角；
[0011] 步骤五基于"绳-帆子系统"模型用反馈线性化方法设计跟踪系绳侧偏角所需的 气动帆偏航角；
[0012] 步骤六基于"帆-舵子系统"模型用滑模控制方法设计跟踪气动帆偏航角所需的 方向舵偏角；
[0013] 步骤七选取相应子系统的控制器参数使得"绳-帆子系统"的响应速度快于 "球-绳子系统"，而"帆-舵子系统"的响应速度快于"绳-帆子系统"。
[0014] 其中，在步骤一中所述的"选取控制模型，这里采用一种平流层卫星六自由度动力 学模型"，其中六个自由度包括气球系绳点的经度、炜度和高度，系绳的倾角和侧偏角以及 气动帆的偏航角。
[0015] 其中，在步骤二中所述的"分析模型参数不确定性，其中主要考虑惯性参数和气动 参数的不确定性"，所涉及的惯性参数有气球附加惯性质量和气动帆的转动惯量，气动参数 有气球阻力系数、气球等效面积、气动帆气动中心和方向舵气动中心。
[0016] 其中，在步骤三中所述的"从六自由度动力学模型中分别提取出'球-绳子系统'、 '绳-帆子系统'和'帆-舵子系统'模型"，其提取方法是："球-绳子系统"模型根据气球 和系绳的受力分析得到；"绳-帆子系统"模型由六自由度动力学模型的第五行简化而来， "帆-舵子系统"模型则为六自由度动力学模型的第六行。
[0017] 其中，在步骤四中所述的"基于'球-绳子系统'模型用自适应控制方法设计跟踪 平流层卫星经向期望轨迹所需的系绳侧偏角"，控制律中所涉平流层卫星经向期望轨迹为 基于反正切函数设计的一条由经度偏移位置缓慢变化到预定炜度轨道位置的曲线。
[0018] 其中，在步骤五中所述的"基于'绳-帆子系统'模型用反馈线性化方法设计跟踪 系绳侧偏角所需的气动帆偏航角"，反馈控制律中所涉期望系绳侧偏角的一阶和二阶导数 通过构造二阶滤波器获得。
[0019] 其中，在步骤六中所述的"基于'帆-舵子系统'模型用滑模控制方法设计跟踪气 动帆偏航角所需的方向舵偏角"，控制律中所涉期望气动帆偏航角的一阶和二阶导数通过 构造另一二阶滤波器获得。
[0020] (3)优点及效果：
[0021] 与现有技术相比，本发明的优点和效果是：
[0022] 考虑了平流层卫星六自由度动力学模型中含参数不确定性的经向偏移控制方法， 克服了依赖精确模型设计平流层卫星经向偏移控制律的困难，更接近于实用，具体表现 在：
[0023] ①在"球-绳子系统"的闭环控制系统设计中采用了自适应控制方法，可在气球惯 性参数和气动参数不确定时实现有效的高精度控制；
[0024] ②在"帆