一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法技术

本发明专利技术涉及一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，针对含有环境干扰力矩、惯量不确定性、执行机构噪声以及未建模动态多源干扰的无拖曳卫星姿态通道；首先，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界的干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，构成抗干扰控制器，求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；本发明专利技术具有抗干扰能力强、控制精度高等优点，可用于无拖曳卫星的姿态控制中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，充分利用了无拖曳卫星姿态通道不同干扰的特性，可对多源干扰进行同时抑制与补偿，可用于低轨卫星的抗干扰姿态控制。
技术介绍
无拖曳卫星目前被广泛应用于地球重力梯度场的测量中，高精度的地球重力梯度场模型可满足地震监测、测绘保障、海洋气象以及资源勘探等的迫切需求，极大地促进我国灾害预防和经济社会的发展。然而，为了满足无拖曳卫星的测量需求，卫星的姿态控制必须使卫星本体系高精度地跟踪轨道坐标系。但是，低轨运行的无拖曳卫星不可避免的受到多通道、多来源的干扰，如包含大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩，执行机构噪声，惯量不确定性以及未建模动态。因此，要实现高精度的姿态控制，必须设计具备抗干扰能力的控制器。对于无拖曳卫星的高精度姿态控制问题，很多学者也提出了不同的抗干扰控制方法，从干扰角度讲，这些方法没有充分考虑无拖曳卫星所受到的多源干扰的影响，例如，没有考虑转动惯量不确定性以及未建模动态的影响。从控制方法的角度讲，常见的传统姿态控制算法主要为滑模控制、LQG控制以及H∞控制。滑模控制具备鲁棒性强、相应快等优势，然而滑模控制依赖于干扰的范数上界，保守性较大，而且滑模控制带来的抖振现象不利于实际工程的应用。LQG控制以及H∞控制均是典型的干扰抑制方法，都把干扰当作单一的等价变量，没有充分利用干扰特性。基于干扰观测器的控制(DOBC)可以实现对干扰的估计及补偿，>可以提升系统的鲁棒性及控制精度。而H∞控制可以对范数有界干扰进行抑制，H2控制能够优化高斯白噪声。因此，要设计理想的抗干扰控制器，必须充分利用无拖曳卫星所受干扰的固有特性，对不同类型的干扰采取不同的控制方法，借助复合控制方式提升系统的抗干扰性以及控制精度。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有的针对无拖曳卫星的姿态控制算法只能针对单一类型干扰、控制精度不高的问题，提出一种同时具备干扰补偿与干扰抑制能力的抗干扰控制器，其中，DOBC对环境干扰进行估计并补偿，H∞/H2控制可以抑制范数有界干扰，并对高斯白噪声进行优化。本专利技术的技术解决方案为：一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，其特征主要包括以下步骤：首先，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵。具体步骤如下：(1)对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；无拖曳卫星在运行过程中，姿态通道受到的多源干扰包括环境干扰力矩、惯量不确定性、执行机构噪声以及未建模动态，此时，无拖曳卫星的多源干扰模型可以描述为系统Σ1所示：Σ1:x·(t)=Ax(t)+B(u(t)+f(x,t)+w(t)+d0(t)+d1(t))y(t)=x(t)]]>其中，t表示时间，θ为卫星的滚动角、俯仰角、偏航角组成的列向量，为滚动角速率、俯仰角速率以及偏航角速率组成的列向量；无拖曳卫星的标称转动惯量矩阵J0＝diag{J0x,J0y,J0z本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，其特征在于包括以下步骤：首先，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界的干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；具体步骤如下：(1)对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；无拖曳卫星在运行过程中，姿态通道受到的多源干扰包括环境干扰力矩、惯量不确定性、执行机构噪声以及未建模动态，此时，无拖曳卫星的多源干扰模型可以描述为系统Σ1所示：Σ1:x·(t)=Ax(t)+B(u(t)+f(x,t)+w(t)+d0(t)+d1(t))y(t)=x(t)]]>其中，t表示时间，θ为卫星的滚动角、俯仰角、偏航角组成的列向量，为滚动角速率、俯仰角速率以及偏航角速率组成的列向量；无拖曳卫星的标称转动惯量矩阵J0＝diag{J0x,J0y,J0z}，其中，J0x、J0y、J0z分别为卫星滚动轴、俯仰轴以及偏航轴的转动惯量，系数矩阵03×3表示3行3列的零矩阵，I3×3表示3维单位矩阵，ω0为轨道角速度，u(t)为无拖曳卫星所受到的控制力矩，w(t)为执行机构噪声，可以表征为高斯白噪声，d0(t)为包括大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩，d1(t)为惯量不确定性以及未建模动态带来的等价干扰，可以表征为范数有界干扰的形式；输出变量y(t)＝x(t)表示系统的全部状态可测；f(x,t)为已知的重力梯度力矩，其满足Lipschitz条件，即对任意的两个系统状态x1(t)，x2(t)，存在已知的矩阵U使得下列不等式成立：||f(x1,t)‑f(x2,t)||≤||U(x1(t)‑x2(t))||；(2)基于步骤(1)建立的多源干扰模型，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；对系统Σ1中的环境干扰力矩设计干扰观测器为：d^0(t)=v(t)+Lx(t)v·(t)=-LB(v(t)+Lx(t))-L(Ax(t)+Bu(t)+Bf(x,t))]]>其中，为环境干扰力矩d0(t)的估计值，v(t)为辅助的状态变量，L为待定的观测器增益矩阵；对于范数有界干扰和高斯白噪声，基于H∞/H2原理设计标称控制器为：unorm(t)＝Kx(t)其中，K为待定的控制器增益矩阵；(3)将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；基于步骤(2)，抗干扰控制器设计为：u(t)=unorm(t)-d^0(t)]]>定义观测器误差将动力学模型系统与观测器误差系统联立得：Σ2:x·(t)=(A+BK)x(t)+Bd~0(t)+Bf(x,t)+Bd1(t)d~·0(t)=-LBd~0(t)+d·0(t)-LBw(t)-LBd1(t)z1(t)=T1x(t)+T2d~0(t)z2(t)=x(t)]]>其中，z1(t)，z2(t)为参考输出，T1，T2为给定的加权矩阵，增益矩阵K，L的选取应满足：闭环系统Σ2是渐近稳定的，且从d1(t)、以及w(t)到z1(t)的闭环传递函数的H∞范数分别小于给定的上界γ1、γ2以及γ3，同时使得从w(t)到z2(t)的闭环传递函数的H2范数尽可能的小；此问题转化为求解以下凸优化问题：minρsym(AR+BKR)BBB00RUTRT1T*-sym(QLB)0-QLBQ-QLB0T2T**-1λ2I00000***-γ12I0000****-γ22I000*****-γ32I00******-λ2I0*******-I<0]]>sym(AR+BKR)+BTB<0-SR*-R<0]]>Trace(S)<ρ其中，λ>0，γi>0(i＝1,2,3)为任意选定的正数，R＝RT>0，Q＝QT>0，S＝ST>0，KR、QL为矩阵变量，ρ为实数变量，I表示单位矩阵，0表示零矩阵；符号sym表示矩阵与矩阵转置之和，min表示最小值，Trace表示矩阵的对角线元素之和，而符号*表示对称矩阵中相应的对称部分；则观测器增益矩阵为L＝Q‑1QL，抗干扰控制器增益矩阵为K＝KRR‑1。...

【技术特征摘要】
1.一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，其特征在于包括以下步骤：首先，对无拖曳
卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计
干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界的干扰进行
抑制，对高斯白噪声进行优化；最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，
构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；具
体步骤如下：
(1)对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，朱玉凯，乔建忠，张培喜，李文硕，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11