[发明专利]基于分布式高阶滑模估计器的航天器姿态协同控制方法

说明书

本发明公开了一种基于分布式高阶滑模估计器的航天器姿态协同控制方法，利用姿态四元数，建立领导航天器与跟随航天器的误差跟踪模型；利用图论，建立满足有向生成树条件的通信拓扑；在仅部分跟随航天器获得领导航天器的姿态四元数的约束下，基于一致性算法，所有跟随航天器分布式地观测领导航天器的姿态四元数，利用高阶滑模算法，所有跟随航天器分布式地估计领导航天器的角速度，成功地避免了模型不确定性的影响，具有较高的估计精度，还能避免对多航天器系统的协同误差模型进行分析，简化了多航天器系统的控制系统的设计过程；通过设计姿态协同滑模控制器，有效抑制了模型不确定性和干扰对多航天器系统的影响，实现了姿态的高精度协同跟踪。

技术领域

本发明涉及航天器控制技术领域，尤其涉及一种基于分布式高阶滑模估计器的航天器姿态协同控制方法。

背景技术

随着航天任务的约束日趋严苛，航天器的结构越来越复杂，一种解决方案是建造更大型的航天器来携带更多的载荷，称为集中式航天器。由于集中式航天器将所有功能单元集成一体，因此，集中式航天器的体积和重量较大，发射成本较高，并且，集中式航天器的构造复杂，各单元之间相互耦合，因此，集中式航天器存在故障发生概率高、维修困难等问题。

基于集中式航天器的这些问题，分布式多航天器系统的概念被提出。分布式多航天器系统是将功能分散在多个小型航天器上，通过小型航天器之间的相互配合，进一步改善航天器性能。分布式多航天器系统具有灵活、鲁棒性强、功能再定义等优势，可以大大加快空间系统的建设速度，是航天技术研究的热点问题。

姿态协同控制是分布式多航天器系统的典型任务，它是指分布式多航天器系统具有一个真实或者虚拟的领导航天器，其余航天器跟踪领导航天器的姿态并最终保持姿态一致。在合成孔径雷达成像和空基干涉测量等编队任务中，测量基线的大小很大程度上决定了仪器的观测性能。利用分布式多航天器系统在空间的稳定构型，姿态高精度一致并指向观测目标，能够形成远大于集中式航天器的测量基线，进而极大地提升观测性能，因此，研究分布式多航天器姿态协同控制具有重要的意义。

分布式多航天器系统在执行任务时会依赖与相邻航天器的信息交互，这会造成不同航天器之间相互影响的耦合问题，加上航天器动力学模型的非线性，使得分布式多航天器系统的稳定性分析非常困难，并且，分布式多航天器系统通常由许多体积小、重量轻的小型航天器组成，更容易受到空间的干扰，也使得各航天器之间姿态高精度一致的控制变得非常困难。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于分布式高阶滑模估计器的航天器姿态协同控制方法，用以解决在受到太空环境干扰的情况下，有领导航天器的多航天器系统的姿态协同控制问题。

因此，本发明实施例提供了一种基于分布式高阶滑模估计器的航天器姿态协同控制方法，包括以下步骤：

S1：利用姿态四元数，建立单航天器转动的运动学模型与动力学模型，考虑多航天器系统，对应建立多航天器系统内每个航天器转动的运动学模型与动力学模型，并建立跟随航天器与领导航天器的误差跟踪模型；

S2：针对有领导航天器的多航天器系统，设计满足有向生成树条件的通信拓扑，并设计跟随矩阵、邻接矩阵和拉普拉斯矩阵；

S3：基于高阶滑模方法，设计跟随航天器的分布式高阶滑模估计器，在部分跟随航天器获取领导航天器的姿态四元数的前提下，在所有跟随航天器上估计领导航天器的姿态四元数与角速度；

S4：基于分布式高阶滑模估计器，设计多航天器系统的控制系统的滑模面与姿态协同滑模控制器。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述航天器姿态协同控制方法中，在S1中，所述姿态四元数q＝[q₁,q₂,q₃,q₄]^T∈R⁴定义为：