[发明专利]执行器故障和输入量化的航天器姿态控制方法

说明书

本发明提供了一种执行器故障和输入量化的航天器姿态控制方法，包括：输入姿态参考指令和姿态角速度参考指令，并根据所述姿态参考指令和姿态角速度参考指令计算指令姿态与实际姿态之间的误差量；考虑输入故障和滞后不确定性的情况下，捕获后航天器的有限时间姿态控制器，获取控制器的设计控制力矩；将姿态跟踪系统的设计控制力矩输入待控制航天器，判断实际姿态与期望姿态的姿态误差是否满足控制要求；若不满足，则测量受控航天器的实际姿态，并重复以上步骤，直至所述待控制航天器的实际姿态满足控制要求。本发明的姿态控制方法，使航天器能够在保证预设瞬态和稳态性能前提下迅速稳定姿态。

技术领域

本发明涉及航天器控制技术领域，特别涉及一种执行器故障和输入量化的航天器姿态控制方法。

背景技术

近年来，随着航天器故障和失效数量的增加，轨道碎片成为航天器在轨运行的棘手威胁。为了解决这一难题，研究者们采取了空间机器人、空间抓捕手、飞网等一系列先进技术手段捕获空间碎片。捕获后，需要由服务航天器姿轨控制系统来尽快稳定捕后组合体。因此，捕获后航天器的姿态控制是一个值得研究的重要问题。

面对此类问题，传统的控制方案需要克服两个局限性。一是在控制器设计中如何避免繁琐的惯性辨识，二是考虑非合作目标捕获，如何保证高质量的控制性能。为克服第一个局限性，研究者提出了弱模型无惯性辨识的姿态控制方法，避免了繁琐的惯性辨识，易于在线实现。对于第二个局限性，收敛速度和控制精度是控制方案评估的两个重要指标，尤其是收敛速度。有限时间姿态控制方法由于其固有的快速收敛性而受到广泛关注。但现有的控制方法虽然能够实现有限时间控制，但存在以下两点不足。首先，状态分数阶的运用，导致控制器的结构过于复杂，且容易受到测量噪声的影响。此外，符号函数的运用导致控制律是非连续的，在工程实践中难以实现。因此，如何避免上述问题值得进一步研究。

在实践中，经常会遇到执行器故障，这通常会导致控制性能下降，甚至导致受控系统的不稳定。为开发有效的容错控制方法，在稳定姿态跟踪误差的同时保证其瞬态和稳态性能，研究者提出了预设性能控制(PPC)方法。由于在指定跟踪性能方面的主要优势，PPC在包括悬架系统，绳系卫星部署系统和姿态系统等在内的许多领域都得到了广泛应用。然而，现有的PPC方法只能达到指数收敛速度。如何提高PPC方法的瞬态性能值得进一步研究，尤其是在存在输入故障的情况下。

实际的无线通信网络中，受限的通信带宽要求控制输入以低通信速率进行更新，传输通道带宽的约束便成了制约控制性能的一个重要因素。信号量化，作为一个减轻信号传输负担的技术手段，可以有效解决这一问题。简而言之，就是用输入量化技术将连续控制输入信号转换为不连续信号。然而，量化误差会导致性能下降，甚至导致系统不稳定。

发明内容

本发明提供了一种执行器故障和输入量化的航天器姿态控制方法，其目的是为了避免繁琐的状态分数阶运算和不连续控制，并且不需要辨识待捕获空间目标的未知输入故障和惯量参数，大大降低了计算量。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种执行器故障和输入量化的航天器姿态控制方法，包括：

输入姿态参考指令和姿态角速度参考指令，并根据所述姿态参考指令和姿态角速度参考指令计算指令姿态与实际姿态之间的误差量；

考虑输入故障和滞后不确定性的情况下，捕获后航天器的有限时间姿态控制器，获取控制器的设计控制力矩；

将姿态跟踪系统的设计控制力矩输入待控制航天器，判断实际姿态与期望姿态的姿态误差是否满足控制要求；

若不满足，则测量受控航天器的实际姿态，并重复以上步骤，直至所述待控制航天器的实际姿态满足控制要求。

本发明的上述方案有如下的有益效果：