[发明专利]一种基于干扰观测器的挠性卫星轨迹线性化姿态控制方法

说明书

一种基于干扰观测器的挠性卫星轨迹线性化姿态控制方法，本发明涉及基于干扰观测器的挠性卫星轨迹线性化姿态控制方法。本发明是为了解决单一的轨迹线性化控制方法对干扰的抑制能力不强、鲁棒性较差，未考虑到外部干扰以及挠性附件影响的问题。本发明用欧拉角描述航天器姿态，采用等效干扰的思想，建立挠性航天器动力学和运动学方程；忽略等效干扰的情况下求被控对象的伪逆，设计特定形式的准微分器，得到期望轨迹的名义控制；用比例—积分控制设计线性时变调节器。考虑等效干扰的影响，设计干扰观测器，保证挠性航天器的跟踪误差渐近收敛。本发明提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的鲁棒性。本发明应用于挠性卫星的姿态控制领域。

技术领域

本发明涉及基于干扰观测器的挠性卫星轨迹线性化姿态控制方法。

背景技术

随着时代的发展和社会的进步，人类对外太空的探索已经上升到一个新的高度。中国已经跨入了空间大国的行列。航天技术对于国民经济、国防建设、文化教育和科学研究起到至关重要的作用，是国家综合实力的集中体现。

航天技术是将航天学的理论应用于航天器和运载器的研究、设计、制造、试验、发射、飞行、返回、控制、管理等工航天工程实践而形成的一门综合性工程技术。卫星系统包括七部分：位置与姿态控制系统、天线系统、转发器系统、遥测指令系统、电源系统、温控系统以及入轨和推进系统。其中姿态控制系统决定了卫星的跟踪性能，是卫星顺利完成太空任务的重要保障。

由于太空探索的领域不断拓宽，探索任务难度不断加大，航天器的结构也呈现复杂化的趋势，不可避免地受到各种干扰力矩以及参数不确定性的影响。外部及自身的干扰很大程度上影响了航天器的工作性能，加大了姿态控制的难度。并且干扰的数学模型不易清晰描述。因此挠性航天器的干扰抑制问题是航天领域的研究热点，直接决定了卫星的控制精度。

针对航天器的干扰抑制问题，国内外学者进行了深入研究，提出了很多控制算法，现将部分控制算法介绍如下：

Hua Liu等人[1](Liu H,Guo L,Zhang Y.An anti-disturbance PD controlscheme for attitude control and stabilization of flexible spacecrafts[J].Nonlinear Dynamics,2012,67(3):2081-2088)针对挠性航天器的干扰问题设计了干扰观测器和PD控制器，抑制了两种不同的干扰，提高了航天器的控制精度和姿态稳定性。虽然基于PID的控制算法对于线性系统的控制性能良好，但是对于复杂非线性系统和复杂信号追踪具有很大的局限性，在对干扰的抑制方面鲁棒性不强，必须结合其他算法才能达到控制要求。

钱勇等人[2](钱勇,满顺强.基于变结构控制减小扫描镜运动对卫星姿态的影响分析[J].上海航天,2013,29(6):7-10)利用解耦变结构控制器对静止轨道卫星进行控制，考虑了星上载荷的扫描镜和卫星本体间的耦合，对四元数四个分量分别设计滑动模态，避免了奇异问题态的影响。由仿真结果可看出，采用变结构控制可以提高姿态角的跟踪精度和稳定性，很大程度减小了扫描镜运动对卫星产生的干扰。但是由于变结构控制相当于起到开关作用，控制不连续，很容易导致抖振，而抖振易激发系统的未建模特性，从而影响了系统的控制性能。

朱亮等人[3](Shao X,Wang H.A Novel Method of Robust TrajectoryLinearization Control Based on Disturbance Rejection[J].Mathematical Problemsin Engineering,2014,2014)利用轨迹线性化控制(TLC)方法和神经网络技术设计了直接自适应TLC控制方案，通过仿真可以看出，通过神经网络的作用提高了系统的性能，弥补了之前TLC的不足。但是很多基于轨迹线性化的控制算法未考虑外界干扰及自身参数不确定性影响，导致系统的鲁棒性较差。