[发明专利]一种行星动力下降段轨迹在线生成的抗干扰制导控制方法

摘要

一种行星动力下降段轨迹在线生成的抗干扰制导控制方法，针对行星着陆器在动力下降段含有多源干扰的系统状态空间模型，设计一种轨迹可在线生成的抗干扰制导控制方法；首先，建立含有多源干扰的行星着陆器动力下降段系统状态空间模型；然后，基于含有干扰的状态空间模型，设计部分信息已知干扰的观测器；最后，基于干扰观测器，设计具有轨迹在线生成功能的复合制导控制方法；本方法具有轨迹可在线生成、抗干扰性强、着陆器着陆位置与速度精度高等优点，适用于航天领域行星着陆器在动力下降段精确制导控制中。

主权项

一种行星动力下降段轨迹在线生成的抗干扰制导控制方法，其特征在于包括以下步骤：首先，建立含有多源干扰的行星着陆器动力下降段系统状态空间模型；然后，设计部分信息已知干扰的观测器；最后，设计具有轨迹在线生成功能的复合制导控制方法；具体步骤如下：第一步，建立含有多源干扰的行星着陆器动力下降段系统状态空间模型设定行星着陆器的位置和速度变量建立在笛卡尔坐标系中，原点位于行星的中心，x轴与y轴互相垂直组成赤道面，z轴指向行星的北极方向；假设这个坐标系是惯性的，则含有多源干扰的行星着陆器动力下降段系统状态空间模型为：x·(t)=vx(t)y·(t)=vy(t)z·(t)=vz(t)v·x(t)=2wvy(t)+w2x(t)+gx(t)+acx(t)+adx(t)+apx(t)v·y(t)=-2wvx(t)+w2y(t)+gy(t)+acy(t)+ady(t)+apy(t)v·z(t)=gz(t)+acz(t)+adz(t)+apz(t)m·(t)=-||Tc||Ispgc]]>其中，t为行星着陆器动力下降开始后的时刻，x(t)、y(t)与z(t)分别为t时刻着陆器在x、y与z轴上的位置坐标，vx(t)、vy(t)与vz(t)分别为t时刻着陆器在x、y与z轴上的速度，w为行星自转速率，gx(t)、gy(t)与gz(t)分别为t时刻着陆器在x、y与z轴上受到的引力，acx(t)、acy(t)与acz(t)分别为t时刻着陆器在x、y与z轴上受到的控制输入，adx(t)、ady(t)与adz(t)分别为t时刻着陆器在x、y与z轴上受到的具有部分信息已知的干扰，apx(t)、apy(t)与apz(t)分别为t时刻着陆器在x、y与z轴上受到的模型未知但范数有界的干扰，m(t)为着陆器在t时刻的质量，Tc＝[Tcx(t),Tcy(t),Tcz(t)]T，Tcx(t)、Tcy(t)与Tcz(t)分别为t时刻着陆器在x、y与z轴上受到的控制力矩，Isp为行星着陆发动机的比冲，gc为地球标准海平面处的重力加速度；第二步，设计部分信息已知干扰的观测器在第一步中，行星着陆器t时刻在x、y与z轴上受到的具有部分信息已知的干扰分别为adx(t)、ady(t)与adz(t)，其向量形式为ad＝[adx(t),ady(t),adz(t)]T，可用以下外系统表示：ad=Vwd(t)w·d(t)=Wwd(t)+H2δ(t)]]>其中，V是与部分信息已知干扰ad幅值相关的系数矩阵，wd(t)为与干扰ad相关的向量，W是与部分信息已知干扰ad频率相关的系数矩阵，δ(t)是由于干扰频率摄动引起的附加干扰，H2是由于干扰频率摄动引起的附加干扰的系数矩阵；含有多源干扰的行星着陆器动力下降段系统状态空间模型可用向量表示为：r·L=vLv·L=f01(vL,w,t)+H0(ac+ad)+H1ap]]>其中，rL＝[x(t),y(t),z(t)]T，vL＝[vx(t),vy(t),vz(t)]T，f01(vL,w,t)＝2w×vL+w2×rL+g(rL)，g(rL)＝[gx(t),gy(t),gz(t)]T，ac＝[acx(t),acy(t),acz(t)]T，ad＝[adx(t),ady(t),adz(t)]T，ap＝[apx(t),apy(t),apz(t)]T，H0＝I为控制变量与已知部分信息干扰的系数矩阵，I为单位矩阵，H1＝I为无模型但范数有界干扰的系数矩阵；行星着陆器在动力下降段的状态干扰观测器可以表示为：a^d=Vw^d(t)w^d(t)=ψ(t)-LvLψ·(t)=(W+LH0V)(ψ(t)-LvL)+L(H0ac+f01(vL,w,t))]]>其中，是ad的估计值，是wd(t)的估计值，ψ(t)是干扰观测器中的辅助向量，L是观测器的增益矩阵。观测器的估计误差定义为则误差动力学方程可以表示为：e·w(t)=(W+LH0V)ew(t)+H2δ(t)+LH1ap]]>为了分析系统的H∞性能，引入参考输出zr(t)，则有：e·w(t)=(W+LH0V)ew(t)+Hd(t)zr(t)=ew(t)]]>其中，H＝[H2,LH1]，d(t)＝[δ(t),ap]T，选取矩阵T与P＞0，使得minγ＞0PW+WTP+TH0V+VTH0TTT+IPH2TH1*-γ2I0**-γ2I<0]]>其中，*表示对称矩阵相应的元素，γ表示对干扰抑制的水平；取L＝P‑1T，则有||zr(t)||2≤γ||d(t)||2；第三步，设计具有轨迹在线生成功能的复合制导控制方法在第一步建立含有多源干扰的行星着陆器动力下降段系统状态空间模型的基础上，经过对行星着陆器动力下降段制导问题的分析，设计第一个滑模面向量s1为：s1＝rL‑rLd其中，s1＝[s11,s12,s13]T，s11、s12与s13分别为s1的三个分量，rLd＝[x(tF),y(tF),z(tF)]T，tF为行星着陆器动力下降段结束时的时刻，将s1对时间求导可得:s·1=r·L-r·Ld=vL-vLd]]>其中，vLd＝[vx(tF),vy(tF),vz(tF)]T，设计虚拟的控制器Σ1为：Σ1:s·1=-Λ(tF-t)s1]]>其中，Λ＝diag{Λ1,Λ2,Λ3},Λi＞1(i＝1,2,3)，当行星着陆器动力下降段开始时Σ1并不满足，因此需要设计第二个滑模面向量s2为：s2=s·1+Λ(tF-t)s1]]>其中，s2＝[s21,s22,s23]T，s21、s22与s23分别为s2的三个分量，对s2求导得：s·2=s··1(t)+Λ(tF-t)s·1+Λ(tF-t)2s1=2w×vL+w2×rL+g(rL)+ac(t)+ad(t)+ap(t)+Λ(tF-t)s·1+s1(tF-t)2]]>在第二步中对部分信息已知干扰ad进行了观测估计，因此设计控制变量为：ac=-{2w×vL+w2×rL+g(rL)+a^d+Λ(tF-t)s·1+s1(tF-t)2+Φsgn(s2)}]]>其中，Φ＝diag{Φ1,Φ2,Φ3}，Φ1>|adx(t)-a^dx(t)|+|apx(t)|,]]>Φ2>|ady(t)-a^dy(t)|+|apy(t)|,]]>Φ3>|adz(t)-a^dz(t)|+|apz(t)|,]]>与分别为adx(t)、ady(t)与adz(t)的估计值，为第二个滑模面到达零点的时间，有sgn(*)为符号函数，即：sgn(s2i)=-1,s2i<00,s2i=0(i=1,2,3)1,s2i>0.]]>