[发明专利]一种基于混杂强制型观测器的网络化航天器姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种基于混杂强制型观测器的网络化航天器姿态控制方法，属于航天器姿态控制领域；首先从含有随机欺骗攻击的网络化航天器姿态动力学方程入手，建立其扩张系统；然后设计静态事件触发机制；其次利用含有事件触发及网络欺骗攻击的传感信号设计混杂强制型观测器观测航天器姿态系统中的未知非线性项及系统状态；最终基于观测器的输出值设计复合控制器，避免了网络欺骗攻击及航天器网络化系统内外扰动对系统造成不利影响，提高系统的鲁棒性，减少了传感器测得的数据量的传输，为空间操作任务的顺利完成提供保障。本发明对考虑带有网络欺骗攻击的航天器网络化姿态控制系统有良好的控制效果，能广泛应用于其他含有多非线性网络化控制系统中。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，具体涉及一种基于混杂强制型观测器的网络化航天器姿态控制方法。

背景技术

航天器姿态控制属于空间操作过程中的重要组成部分。随着国际空间技术的迅速发展和航空航天应用需求的增加，新一代航天器包括现代卫星、空间站、宇宙飞船、宇宙探测器等，需要具有高可靠性、可重构性和多模块化的特性。网络化控制系统减少了系统布线，便于系统诊断和维护，并增加了系统灵活性。因此将网络化控制系统分析方法集成到下一代航天器控制系统，以及多个航天器通过无线网络通信构成航天器网络化控制系统，协同完成单个航天器无法实现的任务是航天领域未来重要的发展方向。由于闭环系统中引入了网络，也带来了新的问题和挑战：由于网络的带宽通常是有限的且存在噪声等因素，从传感器到控制器通道的输出信号以及从控制器到执行器通道的控制命令可能被延迟甚至丢失，同时通信网络往往会受到恶意的网络攻击等等；另一方面考虑空间环境的复杂性，例如航天器的控制力矩不可避免地受到重力梯度力矩、太阳光压力矩、气动力矩等各种外部环境的干扰，并且随着任务的进行、燃料的消耗，航天器的惯性矩阵的确切值无法实时获得。这些问题都有可能导致系统的性能下降，严重的会使系统失稳甚至出现故障，对航天器的高精度稳定性控制以及快速精准地完成空间操作任务带来严重的影响。因此，研究复杂空间环境下航天器网络化控制系统的实时稳定地控制是保证空间操作任务顺利进行的前提，同时也是保证航天技术实现跨越式发展的关键。

针对非线性系统的状态估计，目前相关研究人员普遍将各种非线性当作“总和扰动”，并满足某种特定假设，利用系统传感器测得的实际输出状态，采样多种形式的干扰观测器、扩张状态观测器对系统其它状态和非线性进行估计。然而，针对航天器网络化控制系统，传感器测得的状态通过网络传输，当传输的状态受到攻击者的恶意攻击后，将直接影响观测器的估计精度，严重者会进一步放大攻击信号，最终导致航天器控制紊乱。除此之外，为了确保航天器网络通信顺畅，必须避免大量传输数据造成网络拥堵现象发生。因此，在含有内外扰动非线性以及网络攻击的情况下，寻求针对性的估计方法以及控制策略，确保航天器网络化系统安全稳定地完成定向任务显得尤为重要。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于混杂强制型观测器的网络化航天器姿态控制方法，本发明能够减少数据量的传输，避免网络拥堵，同时解决带有扰动非线性及随机欺骗攻击的航天器姿态控制，保证其安全顺利地完成姿态控制工作。

本发明的目的，通过如下技术方案实现：

一种基于混杂强制型观测器的网络化航天器姿态控制方法，包括如下过程：

构建含有欺骗攻击的网络化航天器姿态动力学模型；

利用所述网络化航天器姿态动力学模型构建含有欺骗攻击的网络化航天器姿态动力学扩张系统；

针对所述网络化航天器姿态动力学扩张系统，设计混杂强制型观测器；

设计静态事件触发机制，根据所述混杂强制型观测器和静态事件触发机制判断事件触发机制是否触发；

采用状态反馈控制，并将所述混杂强制型观测器估计出的非线性不确定项实时补偿到状态反馈控制器中，得到用于网络化航天器姿态控制的控制器，利用所述控制器进行航天器网络化姿态控制。