[发明专利]基于非奇异终端滑模控制的航天器集群控制方法

说明书

本发明公开了一种基于非奇异终端滑模控制的航天器集群控制方法。该方法用于实现航天器集群的飞行控制，包括步骤：建立坐标系，建立混合高斯模型，建立人工势能函数，确定非奇异终端滑模控制滑模面，确定非奇异终端滑模控制的控制律。本发明的基于非奇异终端滑模控制的航天器集群控制方法通过利用混合高斯模型解析描述目标航天器的外包络，并基于混合高斯模型建立目标航天器外形影响的改进人工势能函数，而后基于改进人工势能函数，结合非奇异终端滑模控制计算确定跟踪航天器对应的非奇异终端滑模控制的控制律，以对跟踪航天器跟踪参考轨迹进行控制，能够充分考虑航天器复杂外形对航天器集群飞行控制的影响，具有更高的控制精度和更好的适应性。

技术领域

本发明涉及航天器运动控制技术领域，具体涉及一种基于非奇异终端滑模控制的航天器集群控制方法。

背景技术

近年来，航天器在轨失效事件日渐增多，为了降低在轨失效事件发生的概率，延长航天器工作年限，提高工作性能，越来越多的在轨服务被应用于航天器，而航天器近距离操作作为一项支撑在轨服务的基本技术，航天器近距离操作需满足严格的安全性要求。

随着空间开发与应用能力不断提高，各国相继研制并发射了大量面向各种任务需求的航天器，其结构和组成日趋复杂，技术水平不断提高；例如由多个近距离相伴飞行的航天器构成的用以完成某种共同任务的航天器集群，由于具备较高的灵活性、时间和空间覆盖性、高可靠性和生存性等优势，具有更广的使用范围。

为了保证航天器的安全，在航天器集群飞行过程中，需要考虑航天器形状对航天器集群飞行的影响，在目前的航天器集群飞行控制过程中，航天器的几何外形通常被简化为球形或椭球形，但是在工程实践中，大多数航天器的几何外形并不是简单的球形或椭球形，在近距离操作中，航天器的不同几何外形对安全控制具有不同的影响，例如含有大型太阳帆板的追踪航天器，其在完成翻滚空间目标近距离操作任务时，需要严格考虑航天器的外形对航天器自主规避的影响，导致现有的航天器集群飞行控制方法在工程实际应用中具有一定的局限性。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于非奇异终端滑模控制的航天器集群控制方法。

为此，本发明公开了一种基于非奇异终端滑模控制的航天器集群控制方法，所述方法用于实现航天器集群中目标航天器和跟踪航天器的飞行控制，所述方法包括如下内容：

建立坐标系：建立历元J2000地球惯性坐标系，并在地球惯性坐标系的基础上建立目标航天器的轨道坐标系；

建立混合高斯模型：获取目标航天器表面的若干个特征点的位置信息，基于若干个特征点的位置信息建立目标航天器外包络表面的混合高斯模型；

建立人工势能函数：基于混合高斯模型，结合跟踪航天器的期望相对位置，建立改进人工势能函数；

确定非奇异终端滑模控制滑模面：利用改进人工势能函数和非奇异终端滑模控制，确定跟踪航天器对应的非奇异终端滑模控制滑模面；

确定非奇异终端滑模控制的控制律：根据非奇异终端滑模控制滑模面设计滑模面的渐进率，并基于设计的滑模面的渐进率计算确定跟踪航天器对应的非奇异终端滑模控制的控制律。

进一步地，在上述基于非奇异终端滑模控制的航天器集群控制方法中，建立坐标系包括：

采用O-X_IY_IZ_I表示历元J2000地球惯性坐标系，地球地心为坐标原点，X_I轴指向历元J2000春分点，地球赤道平面为基本面，Z_I轴指向地球北极，Y_I轴与X_I轴、Z_I轴构成右手直角坐标系；