[发明专利]一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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：

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：

其中，q和q₀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σ为正常数。

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：

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，ω是组合体航天器的姿态角速度，p(ω)是待设计的变量，l(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。

第三步，设计的组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器为：

u(t)＝-βu_maxq-(1-β)u_maxTanh[(ω+kq)/α²]

其中，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，u_max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0＜β＜1的常数，ω是组合体航天器的姿态角速度，α是一个正常数，满足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，γ_k∈[0,1]和γ_d∈[0,1]是正常数，γ_c是一个单位调节参数(是一个量纲调节单位，数值永远是1)。

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：

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u_max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0＜β＜1的常数，ω是组合体航天器的姿态角速度，α是一个正常数，满足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ω与q的切换，其变化满足如下：

其中，γ_k∈[0,1]和γ_d∈[0,1]是正常数，γ_c是一个单位调节参数。