[发明专利]一种小天体探测器绕飞轨道跟踪控制方法

权利要求书

1.一种小天体探测器绕飞轨道跟踪控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1、根据未知扰动的小天体探测器环绕动力学模型，设计非线性扰动观测器对小天体探测器受到的外部环境扰动进行估计，并观测其动态特性并补偿到控制器：

其中，

为扰动估计值组成的向量；

M为非线性扰动观测器的中间向量；

Q₁∈R^3×3为正定参数矩阵；

ω表示目标小天体自转角速度矢量；

v＝[v_x,v_y,v_z]^T表示探测器在小天体中心固连坐标下的速度矢量；

r＝[x,y,z]^T表示探测器在小天体中心固连坐标下的位置矢量；

g(r)表示探测器在对应位置下的引力场；

τ＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示动态面自适应滑模控制器的输出，为x，y，z三轴上的控制力加速度τ₁，τ₂，τ₃组成的控制向量；

步骤2、设计自适应律对扰动观测器输出的观测误差界进行估计：

e_v＝v-v_d；

其中，

e_v为速度误差矢量；

v_d为探测器的期望速度矢量；

z_d为扰动加速度矢量；

Θ(e_v)＝diag{tanh(e_vx/ε₁),tanh(e_vy/ε₂),tanh(e_vz/ε₃)}∈R³；

ε₁、ε₂、ε₃为可调整的参数；

Γ＝diag{γ₁,γ₂,γ₃}∈R^3×3、Λ＝diag{σ₁,σ₂,σ₃}∈R^3×3均为正定参数对角阵；

为的先验估计，i＝x,y,z；

为扰动观测误差组成的向量；

为扰动观测误差的上界组成的向量；

为扰动观测误差的上界的估计值组成的向量；

步骤3、通过动态面技术来解决在自适应律设计过程中需要对虚拟控制量进行求导产生的微分爆炸问题：

v_d(0)＝α₁(0)；

其中，

T_L为滤波器时间常数；

α₁为虚拟控制量，α₁的一阶低通滤波器输出为v_d；

v_d(0)为v_d初始值；

α₁(0)为α₁初始值；

步骤4、设计与代替符号函数的双曲正切函数相结合的控制器：

e_r＝r-r_d；

其中，

r_d为探测器的期望位置矢量；

Θ(e_v)＝diag{tanh(e_vx/ε₁),tanh(e_vy/ε₂),tanh(e_vz/ε₃)}∈R³；

ε₁、ε₂、ε₃为可调整的参数；

Q₃∈R^3×3为正定参数矩阵；

e_r为位置误差矢量；

步骤5、将动态面自适应滑模控制器的输出τ作为伪速率调制器的输入，使得伪速率调制器输出驱动推力器工作的调谐振荡脉冲，使推力器在翻滚轴、航向轴、俯仰轴上产生控制力矩抵消干扰力矩，从而有效削弱外部干扰对探测的影响，提高轨道跟踪控制精度。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤5的控制律设计如下：

步骤2.1、在传统反演法步骤4的基础上选择李雅普诺夫函数：

对选择的李雅普诺夫函数两边同时关于时间求导：

其中，

Q₂∈R^3×3表示设计的正定矩阵；

假设z_d已知，可设计如下控制律：

可得当满足下式时，可以保证系统稳定：

其中，Q₃为正定参数对角阵；

步骤2.2、重新定义小天体探测器的速度误差向量：

e_v＝v-v_d；

采用滑模对控制律进行设计：

其中，

Sgn(e_v)＝diag{sgn(e_vx),sgn(e_vy),sgn(e_vz)}∈R³，sgn(·)为符号函数，e_vi是e_vx轴，y轴，z轴上的分量，i＝x,y,z；

为外部扰动的上界；

进而通过权利要求1中所设计的扰动观测器将控制律改写为：

结合双曲正切函数的自适应律来对控制律进行设计，优化后的控制律如下：