[发明专利]一种抗振抗饱和的多星分布式定时姿态协同跟踪控制方法

说明书

一种抗振抗饱和的多星分布式定时姿态协同跟踪控制方法，属于卫星编队姿态协同控制技术领域，本发明为解决现有卫星编队姿态协同控制技术存在的问题。本发明方法包括：S1、针对以指数坐标描述的卫星相对姿态运动学和动力学方程，分离由弹性振动引发的扰动项，获得分离后的动力学模型；S2、设计分布式固定时间领航星状态观测器，用于在固定时间内为各跟随卫星提供精确的领航星的状态信息；S3、设计固定时间扰动观测器，用于在固定时间内精确估计与振动相关的非线性扰动项，以便在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿；S4、基于饱和补偿动态系统和新的非奇异定时滑模面函数设计定时收敛的姿态协同跟踪控制律，以完成多星分布式定时姿态协同跟踪控制。

技术领域

本发明实施例涉及卫星编队姿态协同控制技术领域，尤其涉及一种抗振、抗饱和的多星分布式定时姿态协同跟踪的方法。

背景技术

对于基于刚体模型的卫星编队，目前已经开发了各种分布式协同控制算法，但这些姿态协同控制律大多基于刚体模型。尽管分布式卫星系统中单星的结构整体上趋于小型化，但在电子设备方面却日渐趋于大功率化，这就导致为其供能的太阳能阵列相对航天器整体的质量、体积和成本方面所占的比重越来越大，因此在航天器姿态协同控制方案中有必要考虑到柔性动力学的影响。在一些常规方案中，提出了一种基于模态变量观测器的分布式鲁棒连续控制算法，但该方法存在两方面的缺陷：其一该方法中模态位移、模态速度矢量一般具有较大的维数，因此分配在模态变量上的计算资源通常远大于姿态参数，需要耗费较大的机载计算资源；其二未考虑卫星致动器的饱和物理限制，这就导致控制器应用性较差。此外，为满足对控制系统响应时间的要求，因此还需要考虑到定时收敛的问题。

发明内容

针对现有卫星编队姿态协同控制技术存在的问题，本发明提供一种抗振抗饱和的多星分布式定时姿态协同跟踪控制方法。

本发明所述一种抗振抗饱和的多星分布式定时姿态协同跟踪控制方法，该方法用于对一个虚拟领航星和n个跟随卫星组成的编队进行控制，该方法包括：

S1、针对以指数坐标描述的卫星相对姿态运动学和动力学方程，分离由弹性振动引发的扰动项，获得分离后的动力学模型；

S2、设计分布式固定时间领航星状态观测器，用于在固定时间内为各跟随卫星提供精确的领航星的状态信息；

S3、设计固定时间扰动观测器，用于在固定时间内精确估计与振动相关的非线性扰动项，以便在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿；

S4、基于饱和补偿动态系统和新的非奇异定时滑模面函数设计定时收敛的姿态协同跟踪控制律，以完成多星分布式定时姿态协同跟踪控制。

优选地，一个虚拟领航星和n个跟随卫星组成的编队的通信拓扑结构：

虚拟领航星编号为0，n个跟随卫星的编号i＝1,2,…,n，定义领航星的邻接矩阵领航星的邻接矩阵元素a_0i表示领航星与编号为i的跟随卫星之间的通信状态，当编号为i的跟随卫星可访问到领航星的状态信息时，a_0i＝1，反之a_0i＝0；定义跟随卫星编队内部的邻接矩阵当编号为i的跟随卫星与编号为j的跟随卫星可进行信息交互，则a_ij＝a_ji＝1，否则a_ij＝a_ji＝0，j＝1,2,…,n，i≠j。

优选地，S1中获得分离后的动力学模型的过程为：

步骤S11、确定以指数坐标描述的第i个跟随卫星的姿态运动学、动力学方程

式中，

为第i个跟随卫星的刚度矩阵，K_ic表示第i个跟随卫星的第c阶模态的刚度，c＝1,2,...,N_m，N_m为模态截断的阶数，diag(···)表示对角矩阵；