[发明专利]一种使用固体微推力器进行轨道保持的优化控制方法

说明书

本发明公开了一种使用固体微推力器进行轨道保持的优化控制方法，属于最优化控制领域。首先初始化粒子群算法种群和设置参数，然后针对某微纳卫星上布置的固体微推力器阵列，根据固体微推力器不可重复使用的控制机制，以某个周期内所有固体微推力器的最小能耗为目标建立适应度函数。最后以最小化适应度函数为粒子群算法的优化目标，通过寻优模型得到最优加权阵Q和R，代入线性二次型控制算法，求解得到最优的轨道保持控制器，带入每一时刻的卫星轨道状态X(t)得到对应的最优反馈控制力U(t)，达到轨道保持的目的。本发明大大减少了Q、R参数选取的盲目性和不确定性，能自动给出与给定初始卫星轨道条件相匹配的最优Q、R参数值，效率更高，控制性能更优。

技术领域

本发明属于最优化控制领域，涉及航天器轨道保持控制，具体是一种使用固体微推力器进行轨道保持的优化控制方法。

背景技术

卫星推进系统的作用是为卫星轨道转移、位置保持提供所需要的推力，为姿态控制提供所需的力矩，是航天器最重要的分系统之一。不同的能量来源和转换方式，决定了不同的推进方式，主要有化学推进、冷气推进、电推进、核推进、动量转换推进和无工质推进等。推进系统的推进剂携带量和有效比冲制约着航天器的寿命，在深空探测中直接决定任务的成败。

微纳卫星具有一定的优点：生产和发射成本低，研发周期短，大量微纳卫星可以编队飞行，增加任务的可靠性和可行性，用来完成空间和地球科学任务，以及对其他卫星的检测和探测等。

但是在微纳卫星研制工作中推进系统成为制约其发展的一个重要因素，传统推进系统体积和质量比较大，不适合应用在微纳卫星上。现有微纳型卫星基本不配备推进系统，或者推进系统只提供极其有限的机动能力，控制能力和机动能力较差，无法完成复杂的航天任务。

目前航天推进领域已经运用MEMS技术发展了双组元、单组元、冷气推力器以及水蒸气推力器等，但是这些推力器存在技术难点，结构复杂。而近些年新出现的MEMS固体推力器阵列具有结构简单、质量小和高度高的优点，用其进行卫星轨道保持控制可以使微纳卫星具备较强的机动能力，从而完成更加复杂的航天任务；见文献[1]：杨灵芝，魏延明，刘旭辉在2016年2月发表的期刊论文《MEMS固体微推力器阵列发展研究》。

微纳卫星的轨道控制不同于现有的大型和中型卫星，其对控制精度和燃料消耗的优化都有很高的要求。因此，需要针对MEMS固体推力器阵列这种轨道控制执行机构设计专用的控制方法。传统的卫星轨道控制一般是对卫星的轨道六要素进行修正，精度较差，能量消耗多，不适应于MEMS固体推力器阵列这种微小推力执行机构。

为了达到微纳卫星的燃料消耗和控制精度最优，线性二次型最优控制算法(LQR)是一种可行的方法。目前的LQR控制理论中，加权矩阵Q和R的选择与控制性能之间尚未形成明确的理论关系，目前大都是通过试凑计算的方法来确定Q和R阵，非常依赖于设计人员的工作经验，当更换初始条件时往往需要重新寻找或试凑新的Q和R阵，操作起来十分繁琐和复杂。

针对LQR算法中Q和R阵的优化选取方法，目前已有的方法使用粒子群等智能搜索技术解决的都是微纳卫星轨道控制领域以外的问题，见文献[2]：张玉分，卢家暄等在2017年10月发表的期刊论文《基于粒子群优化的主动悬架最优控制研究》更没有考虑到MEMS固体为推力器这种特殊的脉冲式执行机构的特点，因此均不能用于以固体为推力器为执行机构的微纳卫星轨道控制设计。

发明内容

本发明是通过当前微纳卫星轨道控制系统的状态和预设计好的控制性能指标，自动地搜索出符合设计条件的最优Q和R阵，可以有效减少设计控制器时的试凑次数，降低对设计人员经验的依赖；具体是一种使用固体微推力器进行轨道保持的优化控制方法。

分以下步骤：

步骤一、初始化粒子群算法种群和设置参数。

参数包括粒子数，最大速度，学习因子和惯性权重；