[发明专利]对地遥感卫星高精度高性能的姿态容错控制方法、装置及计算机存储介质

权利要求书

1.一种对地遥感卫星高精度高性能的姿态容错控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据携带有对称挠性附件的对地遥感卫星的运动学方程获取所述对地遥感卫星的误差运动学方程；其中，所述根据携带有对称挠性附件的对地遥感卫星的运动学方程获取所述对地遥感卫星的误差运动学方程，包括：

采用单位四元数Q∈R⁴来描述该对地遥感卫星的姿态运动；其中，Q＝[q₀ q^T]^T＝[q₀ q₁q₂ q₃]^T；q₀是标部，q∈R³是矢部，且满足q₀²+q^Tq＝1；

根据所述单位四元数表示所述对地遥感卫星的运动学方程形式如下：

其中，ω∈R³为未变形卫星在星体固连坐标系下的角速度，q×∈R^3×3表示q的斜对称矩阵；

设定Q_e为姿态误差四元数，根据所述对地遥感卫星的运动学方程得到所述对地遥感卫星误差运动学方程为：其中，R(Q_e)是到的坐标转换矩阵，为轨道坐标系，为星体固连坐标系；

根据轨道角速度ω_d远小于星体的控制角速度ω进行简化计算，获得所述对地遥感卫星的误差运动学方程如式1所示：

其中，表示q_e的一阶导数；q_e表示姿态误差四元数；

基于拉格朗日方法获取所述对地遥感卫星的刚柔耦合姿态动力学方程；其中，所述基于拉格朗日方法获取所述对地遥感卫星的刚柔耦合姿态动力学方程，包括：

设定f_i分别表示两个对称挠性附件，i＝1，2；

在不考虑卫星的平移运动与f_i相对于卫星的旋转运动的情况下，根据拉格朗日方法，所述对地遥感卫星的刚柔耦合姿态动力学方程组可描述为式2所示：

其中；J_s∈R^3×3是所述对地遥感卫星的转动惯量矩阵；η_fi∈R^N×1是f_i的挠性模态坐标；N是挠性模态的维数；G_sfi∈R^3×N是f_i与卫星平台之间的挠性耦合系数矩阵；u^F∈R³为带有故障的控制力矩；d∈R³为环境干扰力矩；Φ_fi∈R^N×N为模态震动频率矩阵；Λ_fi∈R^N×N为刚度矩阵，且满足Φ_fi²＝Λ_fi；ξ_fi∈R^N×N为阻尼系数矩阵；由于两个挠性附件为对称安装，则存在等式G_sf1＝G_sf2，Λ_sf1＝Λ_sf2，ξ_sf1＝ξ_sf2；

基于模型的不确定性以及所述对地遥感卫星的误差运动学方程和所述对地遥感卫星的刚柔耦合姿态动力学方程分别获取所述对地遥感卫星的测量运动学模型和动力学模型；其中，所述基于模型的不确定性以及所述对地遥感卫星的误差运动学方程和所述对地遥感卫星的刚柔耦合姿态动力学方程分别获取所述对地遥感卫星的测量运动学模型和动力学模型，包括：

分别引入以下不确定性：星载姿态敏感器的测量误差ΔQ_e与Δω，未知的环境干扰力矩d与航天器转动惯量矩阵的测量误差ΔJ_s；

设定和分别为测量误差四元数和测量角速度，为标称转动惯量矩阵，根据被引入的不确定性所确定的表达式分别为：

其中，Q_e和ω分别为真实的姿态变量，J_s为真实转动惯量矩阵；

根据所述表达式，式1所示运动学方程表示如式3所示：

根据式3，所述对地遥感卫星的测量运动学方程表示为式4所示：

其中，δ₁表示集成不确定性，且

对于式2所示的刚柔耦合姿态动力学方程组整合为式5所示：

其中，J＝J_s-2G_sfG_sf^T，u^F＝ρu(t)表示含有执行机构故障的控制力矩输出，ρ＝diag(ρ₁，ρ₂，ρ₃)表示执行机构失效因子，满足其中ρ_i＞0和是已知常数，分别表示失效因子ρ_i的下界和上界；

在考虑不确定性的情况下，式(5)被整理为如式(6)所示的测量动力学方程：

其中，δ₂表示集成不确定性且

综合式4和式6，所述对地遥感卫星的测量运动学与动力学模型被总结如式7所示：

根据引入的反步状态变量和虚拟控制器，通过有限时间积分滑模扰动观测器FTISMDO针对所述对地遥感卫星的测量运动学模型和动力学模型中的集成不确定性进行估计；其中，所述根据引入的反步状态变量和虚拟控制器，通过有限时间积分滑模扰动观测器针对所述对地遥感卫星的测量运动学模型和动力学模型中的集成不确定性进行估计，包括：

设定反步状态变量为

其中，α∈R^3×1为虚拟控制向量且Ω^-1(y₁)为Ω(y₁)的广义逆矩阵；F₁∈R^4×4为正定对角阵；

设定为集成不确定性δ₁的估计值，通过所述FTISMDO得到式8：

其中，s₀＝[s₀₁ s₀₂ s₀₃ s₀₄]^T；k_1j，k_2j，β_1j，β_2j，λ_1j，λ_2j，L_j与γ均为正常数且j＝1，2，3，4；sup表示上确界；β_2j＝β_1j/(1+β_1j)，0＜β_1j＜1；其中sgn(·)表示符号函数，sig^γ(s₁)＝|s₁|^γsgn(s₁)；

引入所述反步状态变量后的测量动力学方程为：

其中，和分别表示y₂和α的斜对称阵；表示为：其中，δ₃为集成不确定性，具体为：为集成不确定性δ₃的估计值，且通过FTISMDO得到

其中，l₀＝[l₀₁ l₀₂ l₀₃]^T；p_1j，p_2j，L′_j与v均为正常数，j＝1，2，3，4；

根据所述估计的集成不确定性通过反步法设计所述对地遥感卫星的姿态抗扰动容错控制器；其中，所述根据所述估计的集成不确定性通过反步法设计所述对地遥感卫星的姿态抗扰动容错控制器，包括：

根据下式所示的控制律设计所述对地遥感卫星的姿态抗扰动容错控制器：

其中表示对执行器失效因子ρ的估计，设计为

此外，矩阵F₁与F₂的对角元满足则根据上式所示的控制律所涉及得到的控制器u(t)能够使得闭环控制系统中所有变量均有界且被控状态Q_e和ω能够渐近收敛于原点。