[发明专利]一种航天器姿轨一体化反步跟踪控制方法

说明书

一种航天器姿轨一体化反步跟踪控制方法，本发明涉及航天器姿轨一体化反步跟踪控制方法。本发明为了解决现有技术对航天器的轨道与姿态采用分别独立的控制方式导致跟踪效果差的缺点。本发明步骤包括：步骤一：基于对偶四元数建立航天器姿轨一体化相对运动学和动力学模型；步骤二：根据步骤一建立的航天器姿轨一体化相对运动学和动力学模型，基于反步法设计控制器；步骤三：根据步骤二设计的控制器，设计基于抗饱和法的输入有界控制器。本发明在反步控制器的基础上考虑输入有界问题，设计了基于抗饱和环节的输入有界反步控制器。本发明能够实现追踪航天器对目标航天器的六自由度姿轨协同跟踪，适用于实际的在轨情况，本发明用于航天领域。

技术领域

本发明涉及航天器姿轨一体化反步跟踪控制方法。

背景技术

1957年，前苏联发射了首颗人造地球卫星，标志着人类对太空的探索历程向前推进了一大步。现如今，航天技术已成为世界上最引人关注的技术之一，它推动着人类科学技术的进步，使人类的活动领域由大气层内扩展到宇宙空间。其中，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到很大发展，卫星已应用于生活的各个领域，在侦察监视、导航定位、信息传输、环境探测、深空探索等应用领域发挥了至关重要的作用，对人类的生产和生活带来了极其重大的影响。

传统上，研究人员通常对航天器的轨道与姿态采用分别独立的控制方式，而航天器编队飞行任务是一种轨道和姿态动力学严重耦合的航天任务，因此这种分而治之的控制方式势必会带来顾此失彼的被动局面，无法达到满意的控制效果。为了避免上述问题，应系统而全面的考虑航天器的轨道和姿态控制问题。航天器姿轨一体化的控制方式由于充分的考虑了轨道运动与姿态运动的耦合影响，在面对控制要求较高的任务时则充分体现了其优越性。

为了实现航天器轨道和姿态的一体化控制，应在控制器的设计过程中充分考虑轨道和姿态的耦合影响。对此，许多学者都进行了相关研究，其研究方法主要分为以下两种：一种是首先独立设计姿态控制器和轨道控制器，并在此基础上对姿轨耦合部分进行控制修正，如Lennox等针对多航天器编队控制问题，设计了推力器推力矢量估计器、姿态控制器以及轨道估计器，并提出了相对轨道和相对姿态的耦合控制方法(S.E.Lennox.CoupledOrbital and Attitude Control Simulations for Spacecraft Formation Flying[C].The 2004AIAA Region I-MA Student Conference,Blacksburg,USA,2004)。另一种是以姿轨耦合动力学模型为基础来设计一体化控制算法，这种方式虽然需要建立姿轨耦合的动力学模型，但是由于可以直接利用许多现有的控制器设计方法，因此已经成为目前较为常用的方法。如，Pan等针对轨道和姿态耦合情况下从星对主星轨迹的跟踪控制问题，设计了全局收敛的自适应控制器(H.Pan,V.Kapila.Adaptive Nonlinear Control forSpacecraft Formation Flying with Coupled Translational and Attitude Dynamics[C].Proceedings of 40th IEEE Conference on Decision and Control,Inst.ofElectrical and Electronics Engineers,New York,2001: 2057～2062)；Welsh等为了使空间中的抓捕机器人与目标实现同步，基于自适应控制。理论设计了相对轨道和相对姿态的跟踪控制律(S.J.Welsh,K.Subbarao.Adaptive Synchronization and Control ofFree Flying Robots for Capture of Dynamic Free-Floating Spacecrafts[C].AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference,2004:1193～1214)；Xu等设计了卫星轨道和姿态的连续滑模跟踪控制器(Y.J.Xu,A.Tatsch,N.G.Fitz-Coy.Chattering Free SlidingModel Control for a 6DOF Formation Flying Mission[C].AIAA Guidance,Navigation,and Control Conference,San Francisco,CA,2005)；Bondhus等针对无角速度测量的情况，设计了一种角速度估计器，并基于输出反馈的控制方法提出了主星跟踪控制律和从星协同控制律(A.K.Bondhus,K.Y.Pettersen,J.T.Gravdahl.Leader/FollowerSynchronization of Satellite Attitude without Angular Velocity Measurements[C].Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control,Seville,Spain,2005:7270～7277)；Wong等考虑角速度信息未知的情况，通过设计高通滤波器，实现了卫星的姿轨耦合协同控制(H. Wong,H.Z.Pan,V.Kapila.Output Feedback Control forSpacecraft Formation Flying with Coupled Translation and Attitude Dynamics[C].Proceedings of the American Control Conference,Portland,USA,2005:2419～2426)。在这些文献的研究中，他们考虑了编队卫星的姿轨耦合特性，但是在编队卫星的动力学建模中，轨道和姿态是分开描述的，这种参数表示的不统一，为运算带来了困难。