星间通信受限下航天器姿态协同控制方法研究

发布时间：2020-03-27 00:19

【摘要】：近年来,越来越多的学者针对多航天器姿态协同控制展开研究。由于航天器携带的星间通讯设备性能有限、星间距离过远等因素的影响,航天器间通讯往往存在星间通讯带宽不足问题。此外,由于系统模型不确定、外界干扰等不利因素的影响,使得航天器姿态协同控制难以取得令人满意的控制精度。因此,本文研究了存在航天器间通讯受限、系统参数不确定性及外部扰动情况下的航天器姿态协同控制方法。论文的主要内容如下:首先,基于事件触发方法,设计了星间通讯拓扑为无向的航天器姿态协同控制策略。在该策略中,只有当前系统的事件触发误差大于预设定阈值时,航天器才向相邻航天器发送自身的状态信息,期间相邻航天器姿态协同控制器用零阶保持器即可,以避免非必要通讯,减少星间通讯负担。在此基础上,又进一步考虑了系统模型参数不确定和外界干扰的影响。利用姿态误差四元数和姿态误差角速度构造滑模变量,并以滑模变量设计一种自适应姿态协同控制律对系统模型参数不确定和外界干扰进行弥补,同时还保证航天器系统状态协同地追踪期望姿态轨迹。通过Lyapunov稳定性理论证明这两种控制系统的稳定性,并在数学仿真验证了这两种姿态协同控制策略的性能。仿真结果表明相较于传统的时间采样通讯方式,事件触发方法可以大幅减少通讯频率,减轻通讯负担。然后,基于量化方法,设计了星间通讯拓扑为无向的航天器姿态协同控制策略。在该策略中,只有当前系统的量化值与上一时刻的量化值发生改变时,航天器才向相邻航天器发送自身的量化信息,期间用零阶保持器即可。在此基础上,进一步考虑了系统模型参数不确定和外界干扰的影响,设计一种自适应姿态协同控制律,保证航天器系统状态协同地追踪期望姿态轨迹。通过Lyapunov稳定性理论证明这两种控制系统的稳定性,并在数学仿真验证了这两种姿态协同控制策略的性能,而且仿真结果表明相较于传统的时间采样通讯方式,量化方法可以大幅减少通讯频率,减轻通讯负担。
【图文】：

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图1-1. Cluster Ⅱ计划卫星编队示意图.2.1.2. Tan DEM-X/Terra SAR-X 编队任务anDEM-X 是由 EADSAstrium 公司与德国宇航中心（DLR）联合开发， 21 日成功发射。如图 1-2 所示，该卫星与 2007 年升空的 TerraSAR星近距离编队，两颗卫星的距离控制在 250m 到 500m 之间。TanDEAR-X 协同工作，通过采用合成孔径雷达技术来测量地球大陆块高度度的地球大陆块的数字高度模型。TanDEM-X/TerraSAR-X 编队任务于，能生成世界范围、连续的和同类的地形模型，不会因地区或国家，也不会因为测量方法不同提供不同类的模型。而且这项世界上独一了科学应用，还可以被用于其他项目，如：基于卫星的危机信息中心（境安全监视（GMES）和地球综合观测系统（GEOSS）。TanDEM-X/Ter任务维护并扩展德国在基于卫星的雷达技术领域的能力和竞争力。

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图1-2. Tan DEM-X/Terra SAR-X 双星编队示意图天器协同控制算法研究现状近几年，研究人员提出很多种航天器姿态协同控制方法。概括地说，制策略按照通讯拓扑结构和控制方案产生的空间位置可以简单分为分布式[5][5]。对于集中式控制策略而言，，往往存在一个中心航天器/这个中心航天器/虚拟航天器是编队中其他航天器的通讯中心，而且天器间没有通讯链路。中心航天器/虚拟航天器用自身和编队中其他信息来决定自己的控制信号，而其他航天器往往只依靠自身和中心航天器的状态信息来决定自己的控制信号。分布式控制策略没有中心个航天器都与其相邻的航天器存在通讯链路，且每一个航天器依据自器的状态信息来决定自身的控制策略。实际上，也有集中式和分布式制策略，只是这种控制策略更加复杂。中式控制策略相比，分布式控制策略具有以下几点优点：容错性强：在集中式控制策略中，中心航天器出现故障将会影响整个行。但是在分布式控制策略中，部分航天器失效一般不会影响整个编
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.2

【参考文献】