航天器姿轨系统自抗扰控制方法研究

发布时间：2020-07-27 16:43

【摘要】：航天器姿态与轨道的高性能控制,是我国开展空间活动乃至未来进行深空探测的重要依靠。为了保证在轨服务航天任务的顺利进行,亟需设计可靠的控制算法使航天器在复杂的空间环境中更加持久、稳定、高质量地在轨运行。本文着力于两航天器编队系统的六自由度相对姿态与轨道运动控制问题,相关控制策略可以广泛应用于多种近距离操作航天任务,如抓捕、停靠、绕飞接近、伴飞、燃料供给等。首先采用对偶四元数描述目标航天器与服务航天器间的相对姿态运动和轨道运动,并建立了航天器姿轨一体化运动学和动力学模型。随后针对实际工程中的服务航天器与目标航天器间线速度与角速度不可量测问题、服务航天器质量与惯量存在不确定性问题,设计了多种六自由度自抗扰控制方法。为避免传统描述方法中通常忽略姿态与轨道的耦合影响问题,本文采用对偶四元数数学工具同时描述航天器的轨道运动和姿态运动,并在对偶代数框架内进行航天器姿轨一体化运动学与动力学建模,相较于其他螺旋运动的描述参数,其表达形式更为精炼,且避免了姿态与轨道运动参数间的繁杂混合运算问题。针对服务航天器与目标航天器间线速度与角速度信息不可量测的姿轨控制问题,设计了基于对偶四元数的六自由度扩张状态观测器,以得到高精度相对线速度与相对角速度的估计值,并利用扩张量对来自空间环境和非空间环境的干扰进行观测及补偿,随后根据其提供的重构信息设计了误差反馈率。然而,目前应用的传统扩张状态观测器的收敛速度慢且滤波性能差,本文将跟踪微分器具有收敛性和滤波性能的思想引入,设计了快速收敛且具有滤波性能的全状态六自由度扩张状态观测器。最后,通过数值仿真验证当线速度与角速度信息不可量测时的航天器姿轨自抗扰控制方法的有效性。针对服务航天器质量与惯量参数存在不确定性时的姿轨控制问题,设计了航天器姿轨系统自抗扰广义预测控制器,首先利用全状态六自由度扩张状态观测器对航天器姿轨系统不同于积分串联型部分进行估计和补偿,从而将原非线性对象转化为标准的积分串联型,随后利用广义预测控制方法针对处理后的航天器姿轨积分串联型系统设计虚拟控制率,即通过分析Dioaphantine方程的求解过程,直接获得阶跃系数矩阵的解析解形式,并求出自抗扰广义预测最优控制率。该控制方案避免了自抗扰控制策略中控制器参数固定且自适应性差,以及广义预测控制策略中因参数辨识增加的闭环系统随机性和非线性等问题。最后,仿真验证了所提出的考虑参数不确定性的航天器姿轨自抗扰广义预测控制方法的有效性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：

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2（c）神州十一号与天宫二号交会对接（d）棱镜任务图 1.1 在轨服务运动示意图空间自主在轨服务中，姿态与轨道的高性能控制是航天器执行任务时平稳可靠运行的重要保障，是我国开展空间活动乃至未来进行深空探测的重要依靠>@，因此对航天器姿轨系统的控制具有较高要求，一方面要求两航天器编队系统姿态与轨道的收敛速度、收敛精度等动态特性较好；另一方面，来自复杂空间环境、非合作目标航天器线速度与角速度不可量测、航天器运动学与动力学模型中未建模动态、服务航天器质量与惯量参数存在不确定性等因素严重影响其控制品质。因此必须研究先进的控制理论来保证航天器姿轨控制系统的鲁棒性、高精度以及时效性。本文以《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中十六个重大专项之一的“载人航天与探月工程”国家战略需求为牵引，以空间在轨服务卫星任务需求为指导，旨在提出存在线速度与角速度不可量测问题、航天器质量与惯量参数不确定问题时，空间

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品质控制的工程实现奠定理论研究基础，提高未来航空任务的可靠性。本研究课题来源于国家 973 项目《空间合作目标运动再现中跨尺度控制的前学问题》。1.2 航天器姿态与轨道的研究现状具有良好动态特性的运动控制系统是航天器生存和圆满完成任务的必要条件天器的在轨运动是一种六自由度运动，对刚体航天器六自由度运动的研究通常将解为质心的平动和绕质心的转动两部分，即轨道运动和姿态运动。一、航天器姿态控制方法研究现状依据不同的航天任务，姿态控制被分为姿态调节和姿态跟踪控制>@，姿态调节为使航天器姿态在平衡点附近振动；姿态跟踪目的为使航天器系统的输出跟踪上的期望轨迹，相较于姿态调节更为复杂和难以处理。常见姿态控制系统如图 1.2

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Zou A M 提出了基于有限时间观测器的有限时间输出反馈控制器，并证明了该非观测器可以在有限时间内稳定以及状态量具有收敛性>@。Wu S 等人针对挠性航天在扰动、参数不确定性和传感器与执行机构配置不精确的情况下多目标姿态跟踪设计了含有输出反馈和前馈的鲁棒H∞控制器，输出反馈分量用于保证控制系统前馈分量驱动姿态跟踪运动所需速度>@。此外，滑模控制等也在姿态调节以及姿态控制中有广泛的应用>@。二、航天器轨道控制方法研究现状依据不同的控制力输出方式，航天器轨道控制被分为脉冲式和连续推力轨道控脉冲式轨道控制利用推进器的短时速度增量进行轨道控制，连续推力控制利用推长时间进行工作，而非脉冲式的短时间控制作用。常见轨道控制系统如图 1.3 所

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