[发明专利]基于高阶滑模控制和扰动观测器的空间翻滚非合作目标自主交会制导方法

说明书

基于高阶滑模控制和扰动观测器的空间翻滚非合作目标自主交会制导方法，涉及一种自主交会制导方法，本发明为解决现有技术无法实现持续慢速翻滚非合作空间目标的无碰撞交会对接的问题。本发明所述自主交会制导方法，该方法的具体过程为：建立视线坐标系，在视线坐标系下建立相对运动模型，建立目标航天器的旋转运动模型，同时获取服务航天器的执行机构故障模式；采用广义超螺旋算法作为鲁棒连续制导律，采用齐次高阶滑模的扰动观测器实现自主无碰撞交会。本发明用于空间在轨服务。

技术领域

本发明涉及一种自主交会制导方法。

背景技术

与翻滚非合作目标的交会对接是空间在轨服务中的一项极具挑战的任务。最新的研究大多聚焦于基于燃料最省的最优制导律设计，但是如果需要交会对接的翻滚非合作目标价值巨大，则对于交会的安全性与精确性的需求将超过燃料最省的需求。比如，失控的高价值试验卫星与载人飞船。为了实现无碰撞条件下的精确捕获或对接，需要提出一种鲁棒性较强的主动扰动制导律。

在早期的研究中，相对运动中广泛应用的模型是C-W方程模型，但是这个模型建立在目标运行于圆轨道的假设下。为了对运行于椭圆轨道的目标建立精确的相对运动模型，提出了一种T-H模型。但是T-H模型的缺点是需要实时用到目标飞行器的真近点角，由于真近点角通常难以直接获得，所以T-H模型的实际应用受到了很大的制约。

众所周知，滑模控制由于其对于系统不确定度的强鲁棒性而得到了广泛的应用。但是，传统基于等速趋近律的滑模控制所生成的控制量是离散的，在实际应用中会使得系统产生严重的抖振现象。为了抑制抖振，学者们提出了很多方法：边界层方法，积分滑模控制方法和高阶滑模技术。超螺旋算法和类超螺旋算法作为两种二阶滑模控制方法，可以产生连续的控制信号，并且不需要使用到滑模变量的导数信息。Shtessel针对于导弹末制导律提出了一种光滑二阶滑模控制算法。Moreno在超螺旋算法的基础上，提出了一种广义超螺旋算法(GSTA)，该方法相比于传统广义超螺旋算法，可以获得更快的收敛速度，并具有更强的鲁棒性。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术无法实现持续慢速翻滚非合作空间目标的无碰撞交会对接的问题，提供了一种基于高阶滑模控制和扰动观测器的空间翻滚非合作目标自主交会制导方法。

本发明所述基于高阶滑模控制和扰动观测器的空间翻滚非合作目标自主交会制导方法，该方法的具体过程为：

步骤1、建立视线坐标系，在视线坐标系下建立相对运动模型，建立目标航天器的旋转运动模型，同时获取服务航天器的执行机构故障模式；

步骤2、采用广义超螺旋算法作为鲁棒连续制导律，采用齐次高阶滑模的扰动观测器实现自主无碰撞交会。

本发明的优点：本发明提出的自主交会制导方法适用于与低速翻滚非合作目标的交会对接。本发明的自主交会制导方法提出了一种建立在视线坐标系下的相对运动模型，该模型不需要用到目标的任何轨道运动参数信息，并且建立的相对运动模型考虑了建模不确定度、环境扰动和服务航天器可能发生的执行机构故障。本发明将广义超螺旋算法作为一种趋近律与线性滑模面相结合，确保了在交会对接过程中，服务航天器的视线始终指向目标航天器的对接口。整体闭环系统的稳定性通过应用李雅普诺夫第二定理进行了严格证明。为了提升系统的扰动抑制能力，本发明引入一个扰动观测器。假定服务航天器受到执行机构故障，比如增益故障、偏差故障。将这些执行机构故障作为扰动，应用齐次高阶滑模观测器对于集总扰动在有限时间内进行估计，并在广义超螺旋制导律中进行补偿。数值仿真结果表明本发明所提出的自主交会制导方法能够实现在服务航天器执行机构故障情况下对于翻滚非合作目标的无碰撞成功自主交会，且生成的制导律连续无抖振。

附图说明

图1是两个交会航天器的相对运动坐标系示意图；

图2是实际集总扰动和估计值的仿真图；

图3是两个航天器的相对距离曲线图；