一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，针对组合体航天器姿态稳定控制过程中由于转动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰，设计复合分层抗干扰姿态稳定控制方法；首先，建立多源干扰环境下组合体航天器运动学和动力学模型；其次，针对组合体航天器运动学和动力学模型中由于转动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰，设计干扰观测器对其进行估计；然后，设计一种组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器，求解得到能够使组合体航天器三轴姿态稳定的控制指令；最后，将干扰观测器和组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器进行复合，构造组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法；本发明具有抗干扰性强，可靠性高的优点，适用于新型组合体航天器姿态稳定控制。
【专利说明】
一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法
技术领域
[0001] 本发明设计一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，主要应用于空 间新型组合体航天器受到由于转动惯量不确定性和未建模动态带来的干扰及执行机构存 在饱和受限的情况下进行姿态稳定控制。
【背景技术】
[0002] 组合体航天器是指由于空间复杂任务的需要，由两个或多个航天器单元通过对接 或者捕获等方式组合而成的一类航天器，主要组合类型有大型空间站与飞船的交会对接、 废弃卫星与服务卫星、空间碎片与捕获卫星及空间机器人等。该类航天器主要用于完成复 杂的高难度空间任务，而实现组合体航天器的姿态稳定控制是完成复杂任务的前提。
[0003] 通常对于非合作目标类组合体航天器，其转动惯量都会存在很大的不确定性，这 种不确定性会给组合体航天器的姿态稳定控制带来严重的影响，甚至导致其发散。同时对 于组合体航天器来讲，在各个航天器单元对接过程中，会引起振动及微小的弹性形变，而这 些因素如未在建模中考虑，则会对其姿态稳定控制带来很大的影响。因此实现组合体航天 器在多源干扰环境下的精确姿态稳定控制是一项关键的技术。
[0004] 现阶段已有的姿态稳定控制方法主要是针对单个航天器的姿态稳定控制，对组合 体航天器姿态稳定控制研究较少，尤其是考虑其在干扰环境下的姿态稳定控制。单个航天 器的姿态稳定控制方法对组合体航天器适应性很差，因为其并未考虑到组合体航天器由于 各单元组合而引起的转动惯量不确定性和振动形变问题。因此对于组合体航天器在多源干 扰下的姿态稳定控制，传统的方法已无法满足。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是:针对组合体航天器在受到转动惯量不确定性及未建模 动态带来的干扰影响，且执行机构存在饱和限制的条件下，提供一种复合分层抗干扰姿态 稳定控制方法，解决了组合体航天器在姿态稳定控制中因受到干扰影响及执行机构限制而 控制精度降低的问题，提高组合体航天器的控制精度，增强鲁棒性，且具有抗干扰性强，可 靠性高的优点。
[0006] 本发明的技术解决方案为：一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方 法，如图1所示，其实现步骤如下：
[0007] 第一步，建立干扰环境下组合体航天器运动学和动力学模型为：
[0009]其中，q和qo分别为组合体航天器姿态四元素向量和标量，J是组合体航天器的转 动惯量，《是组合体航天器的姿态角速度，U(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，d 是由于转动惯量不确定性和未建模动态带来的干扰，满足为正常数。
[0010] 第二步，设计如下干扰观测器估计由于转动惯量及未建模动态带来的干扰：
[0011] d-Jz + Jp
[0012] i = -!(oj)z - !((〇)[p(0j) - J^wx Jm+J^w(f)j
[0013] 其中，^是干扰d的估计值，J是组合体航天器的转动惯量，z是观测器的中间变量， ?是组合体航天器的姿态角速度，P( ? )是待设计的变量，1( ? )是观测器的增益，u(t)是组 合体航天器三轴姿态稳定控制指令。
[0014] 第三步，设计的组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器为：
[0015] u(t) = -0umaxq-(1 -0)UmaxTanh[ ( w +kq)/a2]
[0016]其中，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，umax是控制输入的上界，q是为 组合体航天器姿态四元素向量，0是一个满足〇<0<1的常数，《是组合体航天器的姿态角 速度，a是一个正常数，满足〇<?i n<?:，l<mh( ?)是标准的正切函数，增益k是随时间变化 的函数，控制《与q的切换，其变化满足如下：
[Qm 7] # =-，(卜-/以~) / a: ] + Tanhikq / /r) ^ y k(q! q t- y,)
[0018]其中，ykG[0，l]和ydG[0，l]是正常数，yc是一个单位调节参数(是一个量纲调 节单位，数值永远是1)。
[0019] 第四步，将第二步中设计的干扰观测器和第三步中设计的抗饱和姿态稳定控制器 进行复合，构造组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法：
[0020] 〃(/) = -/A.j - (1 -/?)z7m:.T.iiiili[(~ + /a/)/a:]-^
[0021] 其中，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，是一个与控制输入上界相 关的量，满足G_=)^?max，umax是控制输入的上界，q是为组合体航天器姿态四元素向量，0 是一个满足〇<0< 1的常数，W是组合体航天器的姿态角速度，a是一个正常数，满足 0<?〗in <a2，Tanh( ?)是标准的正切函数，^是第二步中干扰观测器对干扰d的估计值，增 益k是随时间变化的函数，控制co与q的切换，其变化满足如下：
[0022] ^ = ~7'-(1 _ ^ )u-qT !Tanht(^+kcn!] + Timh{kq ! p1) - v v; k(ij1 q + f ,)
[0023]其中，丫 kG [0,l]和丫 dG [0,l]是正常数，丫。是一个单位调节参数。
[0024]本发明与现有技术相比的优点在于:本发明的一种组合体航天器复合分层抗干扰 姿态稳定控制方法包括前馈补偿和反馈抑制两部分，有效解决了组合体航天器姿态稳定控 制中受干扰影响及执行机构饱和限制而导致的控制精度下降问题;干扰观测器主要是对转 动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰进行估计，并通过前馈补偿抵消干扰;而反馈的 抗饱和控制方法有效的解决了执行机构饱和受限的问题。该方法具有鲁棒性强、可靠性高 的优点。
【附图说明】
[0025]图1为本发明组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法的设计流程图； [0026]图2为本发明实施例的设计流程图。
【具体实施方式】
[0027]如图2所示，本发明的具体实现步骤如下（以下以空间废弃微小卫星与服务卫星组 成的组合体航天器为例来说明方法的具体实现）：
[0028]第一步，建立多源干扰环境下废弃卫星与服务卫星组合体的运动学和动力学模 型：
[0030] 其中，q和qo分别为该废弃微小卫星与服务卫星组合体的姿态四元素向量和标量， "18.01 0.52 -0.706 ' 初值取q=[0.4，-0.4,0.2]WPqQ = 0.8，J=0.52 16.81 0.292 kg.m2是该废弃微小卫 -0.706 0.292 13.99 星与服务卫星组合体的转动惯量，co是该废弃微小卫星与服务卫星组合体的姿态角速度， 初值取《 = [ 1，_1，0 . 5]rad/s，u(t)是废弃微小卫星与服务卫星组合体的三轴姿态稳定控 3sm(0.03〇 + 4eos(0,05/j - 2 制指令4 = 1x10 ' 3sin(0.〇2r)-】.5c〇s(0.〇 5〇 + 3 N_ra是由于转动惯量不确定性和未建模动态带 ~5sin(0.03/：) + 3 G〇s(0,07f) + 2 来的干扰，满足^ 为正常数。
[0031] 第二步，设计如下干扰观测器估计由于转动惯量及未建模动态带来的干扰：
[0032] d = Jz + Jp(co) z = ~~l(co)z ~l(〇j)[p(0j) ~J 'ojxJoj + J 'u(f)] -18.01 0,52 -0.706 '
[0033] 其中，i是干扰d的估计值，z是观测器的中间变量，J= 0.52 16.81 0.292 kg-m2 -0.706 0.292 13.99 是该废弃微小卫星与服务卫星组合体的转动惯量，u是该废弃微小卫星与服务卫星组合体 的姿态角速度，初值取《 = [1，-1，0.5]瓜(1/8，？（《) = [0.5(?1-1)，0.5(?2+1)，0.8(?3-O.S)]1，^^，和分别是《在三轴向的分量，1(?) = [0.5,0.5,0.8]7是干扰观测器的增 益d是干扰d的估计值，z是干扰观测器的中间变量，u(t)是该废弃微小卫星与服务卫星组 合体的三轴姿态稳定控制指令。
[0034]第三步，设计该废弃微小卫星与服务卫星组合体的抗饱和姿态稳定控制器为：
[0035] u(t)=-0umaxq-(l-0)umaxTanh[( 0+kq)/a2]
[0036] 其中，u(t)是该废弃微小卫星与服务卫星组合体的三轴姿态稳定控制指令，umax = 2N ? m是控制输人的上界，0 = 0.005是一个满足〇<0<1的常数，q是为该废弃微小卫星与服 务卫星组合体的姿态四元素向量和标量，初值取q= [0.4，-0.4,0.2]T，《是该废弃微小卫 星与服务卫星组合体的姿态角速度，初值取《 = [1，-1，0.5打&(1/如2 = 0.5，了&1111(*)是标 准的正切函数。增益k是随时间变化的函数，控制与q的切换，其变化满足如下： k - -v: (1 - )u,^qT {Tanh[((0 + kq)/a:] +
[0037] ," 、 Tmh{Kq / /?-)； - v,;/ kiq'q + y.)
[0038] 其中，k(〇) = [l，l，l]T，yk= l〇-3radkg-V2和 y d = 10-5, y c = lkgm2s-、
[0039]第四步，将干扰观测器和该废弃微小卫星与服务卫星组合体抗饱和姿态稳定控制 方法进行复合，构造该组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法：
[0040] u(i) = -J3uajj -(l-^^TanliU^ + kq) / a2']-d
[0041]其中，u(t)是该废弃微小卫星与服务卫星组合体三轴姿态稳定控制指令， 是一个与控制输入上界相关的量。q是该废弃微小卫星与服务卫星组合体的姿 态四元素向量，初值取9=[0.4，-0.4,0.2]\?是该废弃微小卫星与服务卫星组合体的姿 态角速度，初值取《=[1，_1，0.5] rad/s，0 = 0 ? 005是一个满足0 <0< 1的常数，a2 = 〇 ? 5， Tanh( ?)是标准的正切函数，增益k是随时间变化的函数，控制co与q的切换，其变化满足如 下：
[0042] ^ = (1 !Tanh[(w + A^)/o:] + Tmh(kq/p:)} -yjck(qTq + yd)
[0043] 其中，k(0) = [l，l，l]T，y k= 10-3radkg-V2 和 y d= 10-5, y c= lkgm2s-1
[0044] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 建立干扰环境下的组合体航天器运动学和动力学模型； (2) 针对组合体航天器模型中由于转动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰，设计 干扰观测器对由于转动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰进行估计； (3) 针对步骤（1)中所建立的组合体航天器运动学和动力学模型，设计一种组合体航天 器抗饱和姿态稳定控制器，得到能够使组合体航天器三轴姿态稳定的控制指令； (4) 将步骤(2)中设计的干扰观测器和步骤(3)中设计的抗饱和姿态稳定控制器进行复 合，构造组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法。2. 根据权利要求1所述的一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，其特 征在于:所述步骤(1)的组合体航天器运动学和动力学模型为：其中，q和qo分别为组合体航天器姿态四元素向量和标量，J是组合体航天器的转动惯 量，ω是组合体航天器的姿态角速度，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，d是由 于转动惯量不确定性和未建模动态带来的干扰，满足Η < σ，σ为正常数。3. 根据权利要求1所述的一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，其特 征在于:所述步骤(2)中设计如下干扰观测器来估计由于转动惯量不确定性及未建模动态 带来的干扰：其中，i是干扰d的估计值，J是组合体航天器的转动惯量，ζ是观测器的中间变量，ω是 组合体航天器的姿态角速度，Ρ( ω )是待设计的变量，1( ω )是观测器的增益，u(t)是组合体 航天器三轴姿态稳定控制指令。4. 根据权利要求1所述的一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，其特 征在于:所述步骤(3)中设计的组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器为： u (t) = -0Umaxq- (1 -β) UmaxTanh [ ( ω +kq) /α2 ] 其中，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，iw是控制输入的上界，β是一个满 足0〈β〈1的常数，q是为组合体航天器姿态四元素向量，ω是组合体航天器的姿态角速度，α 是一个正常数，满足<议2，Tanh( ·)是标准的正切函数，增益k是随时间变化的函数， 控制ω与q的切换，其变化满足如下：其中，yke[〇，i]和Yde[0，i]是正常数，γ。是一个单位调节参数。5.根据权利要求1所述的一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，其特 征在于:所述步骤(4)中将干扰观测器和组合体航天器抗饱和姿态控制器进行复合，构造组 合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法为：其中，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，是一个与控制输入上界相关的 量：，umax是控制输入的上界，q是为组合体航天器姿态四元素向量，β是一 个满足〇〈0〈1的常数，《是组合体航天器的姿态角速度，(1是一个正常数，满足〇<(^1,,1<? 2， Tanh( ·)是标准的正切函数，^是步骤(3)中干扰观测器对干扰d的估计值，增益k是随时间 变化的函数，控制ω与q的切换，其变化满足如下：其中，yke[〇，i]和Yde[0，i]是正常数，γ。是一个单位调节参数。
【文档编号】G05D1/08GK105929840SQ201610369411
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】郭雷, 刘志兵, 乔建忠, 徐健伟, 吴克坚
【申请人】北京航空航天大学