[发明专利]纳星重构故障卫星姿控功能的辨识控制一体化方法

摘要

本发明公开了一种纳星重构故障卫星姿控功能的辨识控制一体化方法，针对纳星贴附动力学参数未知的故障卫星表面并对其姿态运动进行控制的情况进行了研究，主要内容和过程有：建立纳星‑故障卫星组合体转动惯量矩阵的辨识方程；设计符合初始终端状态值约束、状态值幅值约束的组合体期望姿态运动轨迹；设计基于实时姿态动力学模型的组合体姿态跟踪控制器。本发明能够在获得组合体转动惯量矩阵的同时，通过纳星实现故障卫星的消旋。辨识控制一体化方法不仅同时实现了参数辨识与姿态控制，提高了纳星重构故障卫星姿控功能的效率，还有效地提高了纳星对故障卫星的控制精度，在未来通过纳星完成对参数未知的故障卫星的认知与控制任务中具有重要应用。

主权项

1.纳星重构故障卫星姿控功能的辨识控制一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立纳星‑故障卫星组合体转动惯量矩阵辨识方程；具体方法如下：纳星装配有计算单元与执行机构，且纳星的本体坐标系事先已知，因此由纳星来进行组合体转动惯量矩阵中各参数的辨识，而纳星的本体坐标系o₁x₁y₁z₁为辨识所采用的计算坐标系oxyz；辨识开始时，组合体的转动角速度为ω，其在计算坐标系oxyz中的分量为ω_x,ω_y,ω_z；假设组合体在空间只受到纳星所提供的控制力矩，则其姿态动力学方程表示为：其中，J为组合体的转动惯量矩阵，M为纳星所提供的控制力矩；分离组合体转动惯量矩阵中待辨识的参数，得到组合体的转动惯量矩阵辨识方程如下：其中，Θ_J＝[J_x J_y J_z J_xy J_xz J_yz]^T，为组合体转动惯量矩阵中待辨识的参数，测量矩阵为：其中，表示测量矩阵的加号逆，因此组合体转动惯量矩阵中的各参数是基于最小二乘法辨识得到的；步骤二、设计符合状态值约束的组合体期望姿态运动轨迹；具体方法如下：组合体期望姿态运动轨迹记为如下的形式：其中，ω_r＝[ω_rx ω_ry ω_rz]^T为组合体期望角速度运动轨迹，为组合体期望角加速度运动轨迹，均描述在计算坐标系oxyz中，采用傅里叶级数定义组合体的期望姿态运动轨迹：其中，ω_f为傅里叶级数的基频，a_lm和b_lm为待确定的傅里叶系数，υ_rl0为待确定的角速度偏移量，其中l＝x,y,z；对于计算坐标系下的x,y,z三个自由度来说，每个自由度都需要确定2N_m+1个系数，以便确定描述组合体期望姿态运动轨迹的傅里叶级数；综合考虑故障卫星姿控功能重构任务对组合体初始角速度、初始角加速度所提出的拟合要求，对组合体终端角速度、终端角加速度所提出的零值要求，以及纳星执行机构反作用轮最大输出力矩限制所提出的幅值要求，得到如下的约束条件：初始角速度、初始角加速度的拟合约束：终端角速度、终端角加速度的零值约束：状态值幅值约束：在满足式(6)、式(7)、式(8)所给出的约束条件下计算傅里叶级数中的参数，就能够得到计算坐标系下所对应的组合体期望姿态运动轨迹；步骤三、设计基于实时姿态动力学模型的组合体姿态跟踪控制器；具体方法如下：组合体的动力学模型如下：其中：f(ω)＝‑J^‑1ω×(Jω)   (10)组合体实际角速度相对于期望角速度的偏差定义如下：ω_e＝ω‑ω_r   (11)综合考虑式(4)、式(9)与式(11)，得到如下的姿态偏差动力学方程：为了控制组合体准确跟踪设定的期望姿态运动轨迹，考虑如下的姿态跟踪控制器：M＝J(g(t)‑f(ω)‑kω_e)   (13)通过在线辨识得到的转动惯量矩阵不断地对组合体姿态动力学模型进行在线更新，并根据实时的姿态动力学模型采用式(13)给出的姿态跟踪控制器来进行组合体控制量的解算，便能够在故障卫星姿控功能重构的过程中通过纳星同时实现对组合体惯性参数的辨识与姿态运动的控制。