[发明专利]线性伪谱外太空飞行器能量最优大角度姿态机动控制方法

说明书

本发明公开提供了一种线性伪谱外太空飞行器能量最优大角度姿态机动控制方法，包括如下步骤：机动任务初始化、获得姿态机动能量最优基准控制轨迹、修正方法参数设置、按基准控制进行机动、控制更新检查、控制指令修正。该控制方法通过修正基准姿态机动控制量实现满足姿态机动终端约束的能量最优姿态机动；本发明的关键技术是基于线性伪谱模型预测控制思想推导的姿态机动终端状态偏差与控制修正量之间的解析公式；该方法具有计算效率高、求解精度高的特点；线性伪谱控制能够达到与LQR控制近似的终端精度，实现飞行器有限时间内的大角度姿态机动，并且相比于LQR控制消耗更少的能量，同时其控制指令更加平滑，满足姿态机动控制在线使用的实时性。

技术领域

本发明涉及飞行器姿态机动控制领域，更具体的说是涉及一种线性伪谱外太空飞行器能量最优大角度姿态机动控制方法。

背景技术

以动能拦截器为代表的一类外太空飞行器，为了实现打击目标、躲避攻击等任务要求，通常需要具有良好的姿态机动能力。相比于以人造卫星、空间站等为代表的航天器，此类外太空飞行器的姿态机动存在以下特点：(1) 机动角度大、时间短，即需要实现限定时间内的大角度姿态机动；(2)控制方式一般为主动控制，且多采用反作用控制系统(RCS)进行控制；(3)携带燃料有限，要求机动消耗能量尽可能小；(4)由于机动时间较短，通常忽略如重力梯度、太阳光压等扰动项。

外太空飞行器的姿态运动系统是具有强耦合特性的多输入多输出 (MIMO)非线性系统，为了实现飞行器能量最优的大角度姿态机动，目前常用的控制方案有线性二次型控制(LQR)和模型预测控制(MPC)。LQR方法基于一条事先计算得到的基准控制路径，以线性模型近似刻画状态偏差传播过程，再设定关于状态量和控制量的性能指标，用最优控制理论进行求解。 MPC方法是一种基于滚动优化的在线控制策略，通过预测终端状态反推当前时刻的控制修正量，具有对模型要求低、抗干扰性好、鲁棒性强等优点，能够在优化性能指标的同时处理各种约束条件。

尽管LQR方法和MPC方法都能实现飞行器能量最优大角度姿态机动控制，但在实际应用中存在一些问题。LQR方法存在的问题有：(1)LQR求解得到的控制量是无限时域中的最优控制修正量，无法保证终端状态精度在限定时间内能够满足要求，也无法保证控制修正量在限定时间内消耗能量最优； (2)LQR求解的控制修正量仅保证控制修正量消耗的能量最优，而并非修正后的控制量消耗的能量最优；(3)LQR控制的效果取决于Q、R阵的选取，对于不同的姿态机动任务都需要进行选取。MPC方法主要面临的问题为计算过于复杂、消耗计算机资源大，难以保证计算的实时性。

因此，如何提供一种满足高精度要求，且保证姿态机动终端约束的能量最优的大角度姿态机动控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种线性伪谱外太空飞行器能量最优大角度姿态机动控制方法，目的是针对以动能拦截器为代表的外太空飞行器开发一种通过修正基准姿态机动控制量进而保证姿态机动终端约束的能量最优姿态机动控制方法；本发明的关键技术是基于线性伪谱模型预测控制的思想推导姿态机动终端状态偏差与控制修正量之间的解析公式；得益于解析公式的获得，本发明具有计算效率高、求解精度高的特点，适用于姿态机动控制的在线使用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线性伪谱外太空飞行器能量最优大角度姿态机动控制方法，包括如下步骤：

S1：机动任务初始化：设置姿态机动的任务参数；

S2：获得姿态机动能量最优基准控制轨迹：先利用高斯伪谱法将飞行器能量最优姿态机动最优控制问题转化为非线性规划问题，再利用SNOPT求解所述非线性规划问题，从而获得飞行器能量最优姿态机动轨迹，包括状态量的时间序列控制量的时间序列并将所述飞行器能量最优姿态机动轨迹作为基准控制轨迹；