[发明专利]一种基于有限时间分布式速度观测器的航天器相对位置控制方法

说明书

基于有限时间分布式速度观测器的航天器编队相对位置控制方法，属于航天器编队相对位置控制领域。本发明首先根据航天器相对位置动力学模型并用图论表示编队成员之间通信拓扑关系；然后设计有限时间分布式速度观测器；最后基于速度观测信息并采用势函数方法，设计能够使航天器编队成员达到各自期望位置，同时避免飞行过程中发生碰撞的控制方法。该方法实现了航天器速度的有限时间估计，并可独立设计控制器，适用于速度信息缺失的航天器相对位置控制，采用分布式有限时间速度观测器及时准确的提供速度估计信息，不仅保证了各航天器之间的相对位置达到期望值，同时避免了碰撞的发生。

技术领域

本发明属于航天器编队相对位置控制技术领域，具体涉及一种基于有限时间分布式速度观测器的航天器相对位置控制方法。

背景技术

随着航天科技的发展，航天器编队技术已经成为执行深空探索、对地观测等任务的新型模式。为了保证上述任务的顺利实施，多个航天器需要以特定的构型进行编队飞行，因此相对位置控制是航天器编队领域最基本的要求。通常在轨飞行航天器可对地面目标基准和已知信标的测量获取位置和速度信息，或采用星上导航仪器进行自主侧轨。然而，考虑到受某些特殊条件影响，航天器速度无法测量的情况，有必要设计无需速度反馈的航天器编队相对位置控制方法。特别对于近距离航天器编队，如果速度信息未知，也就无法获取两个航天器的相对运动速度，若不能给出合适的控制算法，则很容易导致碰撞的发生。

势函数法通过设计非负势函数使得小于安全距离范围时其函数值趋向无穷大，从而解决避碰问题。由此，在相对位置控制器中使用势函数可达到避免碰撞目的。中国专利CN201610388966.6采用势函数法设计了航天器在轨规避制导控制一体化算法，使飞行中的航天器能够实现对环境中障碍物的规避，但未考虑速度信息不可测量问题。

观测器是利用系统已知信息估计未知信息的有效途径，对于航天器的角速度及系统所受扰动等变量的估计均可通过观测器技术实现。如以航天器姿态控制为背景，中国专利CN201611086820.2设计了有限时间角速度观测器，在姿态敏感器失灵情况下估计了角速度信息。然而，目前在航天器编队领域运用分布式观测器方法补偿在轨速度信息的方法还有待研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有限时间分布式速度观测器的航天器相对位置控制方法，解决无需速度测量信息的航天器编队相对位置控制问题，实现航天器编队的相对位置控制并避免飞行过程中发生碰撞。

本发明的目的是这样实现的：

基于有限时间分布式速度观测器的航天器相对位置控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立航天器编队相对位置动力学模型，采用图论表示编队成员之间的通信拓扑关系；

步骤2：根据步骤1中的航天器编队相对位置动力学模型，设计有限时间分布式速度观测器；

步骤3：根据步骤2观测器所估计的状态，采用势函数方法设计航天器编队相对位置控制器。

所述步骤1中建立航天器编队相对位置动力学模型，具体过程为：

将各航天器的相对轨道表示在参考点的LVLH坐标系中，以该参考点为原点，建立LVLH坐标系，记为C_L，其中x轴由地心指向参考点，y轴沿参考点运行的切线方向，z轴垂直于参考轨道平面，与x轴和y轴按右手法则成右手坐标系；在LVLH坐标系下，航天器i对于参考点的相对位置动力学模型为：

其中v_i表示航天器相对参考点的速度，表示在LVLH坐标系下从参考点到航天器i的位置矢量，m_i表示航天器质量，I₃为单位阵，表示控制力，表示施加在航天器上的外部干扰力，C_i为斜对称矩阵，N_i为动力学方程中的非线性项：