[发明专利]一种基于事件触发通信的航天器抗干扰姿态协同控制方法

说明书

本发明涉及一种基于事件触发通信的航天器抗干扰姿态协同控制方法，包括以下步骤：首先，针对一组刚性航天器包括领航航天器和跟随航天器，用修正罗德里格参数(MRPs)描述跟随航天器姿态运动学方程和动力学方程，对航天器的未知有界干扰进行建模，该模型用于描述多种实际干扰；其次，设计干扰观测器，对干扰进行估计，使得干扰估计误差指数收敛到零；然后，建立滤波器并引入事件触发机制，描述航天器间的不连续通信；最后，结合干扰观测器和滤波器，基于反步法设计控制器，保证所有闭环信号都一致有界，且姿态跟踪误差能够收敛到小于预定阈值的残集内。该方法保证了多航天器在无连续通信的情况下实现姿态协同跟踪，且可补偿未知干扰。

技术领域

本发明涉及一种基于事件触发通信的航天器抗干扰姿态协同控制方法，主要应用于在未知干扰下刚性航天器的分布式姿态协同控制，同时基于滤波器和事件触发机制，给出各航天器的通信方式，属于航天器控制技术领域。

背景技术

航天器姿态控制是航天领域和控制领域的一个重要问题，对航天器完成任务起着至关重要的作用。针对单航天器，通过滑模控制、自适应控制、模型预测控制等不同方法，已开发出多种姿态控制方案。

最近，在航天器编队飞行，太空干涉测量和在轨服务等方面的应用需求越来越多，多个航天器的分布式姿态协同控制也因此受到越来越多的关注，控制目标在于为每个航天器设计一个局部控制器，利用其自身及其邻居的信息来实现姿态的一致性。在一些早期的研究成果中，假定所有跟随航天器都能得到领航航天器的姿态信息，而后发展为只需要部分跟随航天器获取领航航天器信息，在一定程度上减少了通信负担。另外，在现有的许多姿态协同控制方案中，大多要求描述通信拓扑的图是无向连通的，而考虑一般有向图的方案却需要额外假设，比如角加速度信息可测量、可传递，但是在实际应用中，测量航天器角加速度通常是不现实的，因此，考虑一般有向图通信拓扑下航天器的协同控制问题是很有必要的。同时，航天器在飞行过程中也会受到很多干扰的影响，而很多控制方法没有考虑干扰或者只考虑特定范围内的干扰，所以航天器抗干扰问题也需进一步研究。

此外，在现有的姿态协同控制方案中，要求相邻航天器之间的通信是连续的。然而，每个航天器的通信功率是有限的，通信网络的带宽也是有限的。因此，在许多实际情况下，硬件条件并不能支持航天器的连续通信。因此，综合以上问题，亟需设计考虑外部干扰且无需连续通信的航天器姿态协同控制方法，实现姿态跟踪，并且降低通信负担。

目前，针对航天器协同控制问题，许多学者提出了一些方法。专利申请号为201910221537.3中提出了基于分布式高阶滑模估计器的航天器姿态协同控制方法，考虑了部分跟随航天器获得领航航天器的信息，但存在问题如下：(1)只考虑了无向图的通信拓扑结构，未能考虑更一般的有向图情况；(2)航天器间通信要求是连续的，通信负担较重；专利申请号为201811608556.3提出了一种航天器编队有限时间姿态容错控制方法，考虑了航天器受到干扰力矩的影响，但只考虑了时不变干扰，没有考虑时变干扰；专利申请号为201810826026.X中提出了基于积分滑模与模型预测控制的多航天器协同控制方法，优化模型求解较为复杂。综上所述，现有的专利成果缺少考虑一般有向图的通信拓扑、较大范围的干扰以及相邻航天器间无连续通信的控制方法。为解决此类问题，亟需设计一种基于事件触发通信的航天器抗干扰姿态协同控制方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：航天器姿态控制是航天领域和控制领域的一个重要问题，对航天器完成任务起着至关重要的作用。

为了解决以上技术问题，本发明设计了一种无Zeno现象的事件触发通信策略，避免相邻航天器之间的连续通信。此外，为每个跟随航天器构造了一个非线性观测器，能够精确地估计和外部干扰。该方案能够保证所有闭环信号的有界性，并使得姿态跟踪误差收敛到小于预定阈值的残集内。