一种无拖曳卫星相对位移通道的输出反馈抗干扰控制方法，涉及一类针对无拖曳卫星相对位移通道的输出反馈抗干扰控制器的设计；该发明专利技术针对一类含有非线性项以及环境干扰力、随机噪声、未建模动态多源干扰的无拖曳卫星的相对位移通道；首先，对无拖曳卫星相对位移通道所受多源干扰按其特性进行分类并建模，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型；其次，基于系统的输入输出信息设计观测器估计系统的状态及干扰的状态，并利用观测值设计抗干扰控制器；最后，基于凸优化算法求解抗干扰控制器的增益矩阵与观测器的增益矩阵；本发明专利技术具有抗干扰能力强、控制精度高、易于工程实现等优点，可用于无拖曳卫星相对位移通道中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种针对无拖曳卫星相对位移通道的输出反馈抗干扰控制方法，可用于无拖曳卫星相对位移通道的抗干扰控制。
技术介绍
无拖曳卫星相对位移通道设计的基本思想是在无拖曳卫星内置检测质量块，使无拖曳卫星跟随内部检测质量块运动，将无拖曳卫星受到的多源干扰尽可能抵消，从而使无拖曳卫星运行在接近纯引力作用下的轨道上；而无拖曳卫星运行在近地轨道中，面临大气阻力、太阳光压、执行机构噪声、量测噪声、未建模动态带来的非引力多源干扰，致使其相对位移通道无法达到其高控制精度的要求；因此，必须对非引力干扰进行抑制与补偿，使卫星运行在纯引力状态下。目前专门针对无拖曳卫星相对位移通道的控制方法大都采用了状态反馈的控制方式，然而实际工程中，只有质量块质心到卫星质心的相对位移可测，相对速度难以测量，并且量测中含有随机噪声，因此，设计一种基于输出反馈的控制方法比状态反馈更合理。为了抑制非引力多源干扰对无拖曳卫星相对位移通道的影响，人们提出了LQG与H∞的控制方法。然而，LQG只能优化高斯随机噪声对系统的影响，其鲁棒性较差。H∞控制把所有干扰等价为范数有界的干扰，依赖于范数上界。由此可见，无论是LQG还是H∞控制都是针对于单一类型的干扰，并且都是典型的干扰抑制方法，无法对干扰进行补偿，导致其控制精度难以进一步提高。无拖曳卫星相对位移通道最主要的干扰就是大气阻力，人们也提出过相应的干扰补偿方法来估计并抵消大气阻力的影响，但是大多没有充分利用大气干扰的固有信息对大气阻力进行建模，保守性较大。基于干扰观测器的控制(DOBC)可以充分利用干扰特性对干扰予以补偿，尤其是鲁棒DOBC的出现，当干扰模型含有不确定项时仍能对其进行估计并补偿，因此可以利用鲁棒DOBC对不确定的大气模型进行估计并补偿。无拖曳卫星的相对位移通道受到可建模未知干扰、范数有界干扰和随机噪声的影响，利用单一的控制方式(如LQG,H∞控制)难以达到高精度的控制效果，因此，必须充分利用干扰特性，采用复合的抗干扰控制方式。
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相对位移通道的控制方法大多只能抑制单一干扰、抗干扰能力弱以及状态难以全部测量的问题，提供一种输出反馈抗干扰控制方法，解决无拖曳卫星相对位移通道多源干扰的同时补偿与抑制问题，提高了系统的控制精度。本专利技术的技术解决方案为：该专利技术针对一类含有非线性项以及环境干扰、随机噪声、未建模动态多源干扰的无拖曳卫星的相对位移通道。首先，对无拖曳卫星相对位移通道所受多源干扰按其特性进行分类并建模，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型；其次，基于系统的输入输出信息设计观测器估计系统的状态及干扰的状态，并根据观测值设计抗干扰控制器；最后，基于凸优化算法求解抗干扰控制器的增益矩阵以及观测器增益矩阵。具体步骤如下：(1)对无拖曳卫星相对位移通道所受多源干扰按其特性进行分类并建模，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型；对于运行在低轨的无拖曳卫星，其相对位移通道的多源干扰包括环境干扰力、随机噪声以及未建模动态；而环境干扰力又包含大气阻力、太阳光压；在卫星所受到的多源干扰中，大气阻力是无拖曳卫星相对位移通道最主要的干扰，其干扰模型由如下外部系统Σ1所描述：Σ1:ξ·(t)=Ξξ(t)+Δδf0(t)=Fξ(t)]]>其中，ξ(t)为系统Σ1的状态变量，Ξ，Δ，F为已知的系数矩阵；δ(t)为模型摄动，可以当作范数有界干扰来处理，这样，大气阻力可以表征为可建模未知干扰的形式；太阳光压和未建模动态均可表征为范数有界干扰的形式；而包含执行机构噪声及量测噪声在内的随机噪声可以表征为高斯白噪声的形式；根据以上干扰分类，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型：Σ2:x·(t)=Ax(t)+Gg(x(t),t)+H[u(t)+w(t)+f0(t)+f1(t)]y(t)=Cx(t)+v(t)]]>其中，状态变量x1(t)＝r(t)，t表示时间变量，r(t)为无拖曳卫星的质心与内部检测质量块质心的相对位移，为无拖曳卫星的质心与内部检测质量块质心的相对速度，u(t)为无拖曳卫星所受到的控制力，f0(t)为大气阻力，f1(t)为太阳光压以及未建模动态，w(t)和v(t)分别为执行机构噪声和量测噪声；系数矩阵分别表示为C＝[I3×303×3]，其中，03×3表示3行3列的零矩阵，I3×3为3维单位矩阵，m为内部检测质量块的质量，M为无拖曳卫星的质量；ω0为轨道角速度，Ktrans为无拖曳卫星与内部检测质量块之间耦合的水平弹性系数，Dtrans为水平阻尼系数；为已知非线性项，其中，ω(t)＝[ω1ω2ω3]T为卫星的绝对角速度，ω1为滚动角速度，ω2为俯仰角速度，ω3为偏航角速度，假设非线性项g(x(t),t)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：||g(x1(t),t)-g(x2(t),t)||≤||U(x1(t)-x2(t))||；其中，符号||·||表示向量范数；(2)根据步骤(1)建立的相对位移通道系统模型，基于系统的输入输出信息设计观测器估计系统的状态及干扰的状态，并根据观测值设计抗干扰控制器：将干扰模型Σ1系统模型Σ2进行增广，得到如下增广系统：Σ3:x‾·(t)=A‾x‾(t)+G‾g‾(x‾(t),t)+H‾[u(t)+w(t)]+H‾1d‾(t)y‾(t)=C‾x‾(t)+v(t)]]>其中，状态变量量测输出系数矩阵其中，09×6、09×3、06×9、03×9分别表示9行6列、9行3列、6行9列、3行9列的零矩阵；非线性项对增广系统Σ3设计观测器估计系统状态及干扰状态：Σ4:x‾^·(t)=A‾x‾^(t)+G‾g‾(x‾^(t),t)+H‾u(t)+L(y(t)-y‾^(t))y‾^(t)=C‾x‾^(t)]]>其中，表示的估本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无拖曳卫星相对位移通道的输出反馈抗干扰控制方法，其特征在于包括以下步骤：首先，对无拖曳卫星相对位移通道所受多源干扰按其特性进行分类并建模，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型；其次，基于系统的输入输出信息设计观测器估计系统的状态及干扰的状态，并根据观测值设计抗干扰控制器；最后，基于凸优化算法求解抗干扰控制器的增益矩阵与观测器增益矩阵；具体步骤如下：(1)对无拖曳卫星相对位移通道所受多源干扰按其特性进行分类并建模，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型；对于运行在低轨的无拖曳卫星，其相对位移通道的多源干扰包括环境干扰力、随机噪声以及未建模动态；而环境干扰力又包含大气阻力、太阳光压；在卫星所受到的多源干扰中，大气阻力是无拖曳卫星相对位移通道最主要的干扰，其干扰模型可由如下外部系统Σ1所描述：Σ1:ξ·(t)=Ξξ(t)+Δδ(t)f0(t)=Fξ(t)]]>其中，ξ(t)为系统Σ1的状态变量，Ξ，Δ，F为已知的系数矩阵；δ(t)为模型摄动，可以当作范数有界干扰来处理，这样，大气阻力可以表征为可建模未知干扰的形式；太阳光压和未建模动态均可表征为范数有界干扰的形式；而包含执行机构噪声及量测噪声在内的随机噪声可以表征为高斯白噪声的形式；根据以上干扰分类，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型：Σ2:x·(t)=Ax(t)+Gg(x(t),t)+H[u(t)+w(t)+f0(t)+f1(t)]y(t)=Cx(t)+v(t)]]>其中，状态变量x1(t)＝r(t)，t表示时间变量，r(t)为无拖曳卫星的质心与内部检测质量块质心的相对位移，为无拖曳卫星的质心与内部检测质量块质心的相对速度，u(t)为无拖曳卫星所受到的控制力，f0(t)为大气阻力，f1(t)为太阳光压以及未建模动态，w(t)和v(t)分别为执行机构噪声和量测噪声；系数矩阵分别表示为C＝[I3×3 03×3]，其中，03×3表示3行3列的零矩阵，I3×3为3维单位矩阵，m为内部检测质量块的质量，M为无拖曳卫星的质量；ω0为轨道角速度，Ktrans为无拖曳卫星与内部检测质量块之间耦合的水平弹性系数，Dtrans为水平阻尼系数；为已知非线性项，其中，ω(t)＝[ω1 ω2 ω3]T为卫星的绝对角速度，ω1为滚动角速度，ω2为俯仰角速度，ω3为偏航角速度，假设非线性项g(x(t),t)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：||g(x1(t),t)‑g(x2(t),t)||≤||U(x1(t)‑x2(t))||；其中，符号||·||表示向量范数；(2)根据步骤(1)建立的相对位移通道系统模型，基于系统的输入输出信息设计观测器估计系统的状态及干扰的状态，并根据观测值设计抗干扰控制器：将干扰模型Σ1系统模型Σ2进行增广，得到如下增广系统：Σ3:x‾·(t)=A‾x‾(t)+G‾g‾(x‾(t),t)+H‾[u(t)+w(t)]+H‾1d‾(t)y‾(t)=C‾x‾(t)+v(t)]]>其中，状态变量量测输出系数矩阵其中，09×6、09×3、06×9、03×9分别表示9行6列、9行3列、6行9列、3行9列的零矩阵；非线性项对增广系统Σ3设计观测器估计系统状态及干扰状态：Σ4:x‾^·(t)=A‾x‾^(t)+G‾g‾(x‾^(t),t)+H‾u(t)+L(y‾(t)-y‾^(t))y‾^(t)=C‾x‾^(t)]]>其中，表示的估计值，为观测器的输出值，L为待求解的观测器增益矩阵，设计抗干扰控制器为：u(t)=Kx^(t)-f^0(t)=K-Fx‾^(t)]]>其中，K为待定的控制器增益矩阵，为x(t)的估计值，为大气阻力的估计值；定义估计误差则联立估计误差系统与控制系统Σ3可得如下系统：x·(t)x‾~·(t)=A+HKH-KF015×6A‾-LC‾x(t)x‾...
【技术特征摘要】
1.一种无拖曳卫星相对位移通道的输出反馈抗干扰控制方法，其特征在于包括以下步
骤：首先，对无拖曳卫星相对位移通道所受多源干扰按其特性进行分类并建模，建立含有多
源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型；其次，基于系统的输入输出信息设计观测
器估计系统的状态及干扰的状态，并根据观测值设计抗干扰控制器；最后，基于凸优化算法
求解抗干扰控制器的增益矩阵与观测器增益矩阵；具体步骤如下：
(1)对无拖曳卫星相对位移通道所受多源干扰按其特性进行分类并建模，建立含有多
源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型；
对于运行在低轨的无拖曳卫星，其相对位移通道的多源干扰包括环境干扰力、随机噪
声以及未建模动态；而环境干扰力又包含大气阻力、太阳光压；在卫星所受到的多源干扰
中，大气阻力是无拖曳卫星相对位移通道最主要的干扰，其干扰模型可由如下外部系统Σ1所描述：
Σ1:ξ·(t)=Ξξ(t)+Δδ(t)f0(t)=Fξ(t)]]>其中，ξ(t)为系统Σ1的状态变量，Ξ，Δ，F为已知的系数矩阵；δ(t)为模型摄动，可以当
作范数有界干扰来处理，这样，大气阻力可以表征为可建模未知干扰的形式；太阳光压和未
建模动态均可表征为范数有界干扰的形式；而包含执行机构噪声及量测噪声在内的随机噪
声可以表征为高斯白噪声的形式；
根据以上干扰分类，建立含有多源干扰的无拖曳卫星相对位移通道的系统模型：
Σ2:x·(t)=Ax(t)+Gg(x(t),t)+H[u(t)+w(t)+f0(t)+f1(t)]y(t)=Cx(t)+v(t)]]>其中，状态变量x1(t)＝r(t)，t表示时间变量，r(t)为
无拖曳卫星的质心与内部检测质量块质心的相对位移，为无拖曳卫星的质心与内部检
测质量块质心的相对速度，u(t)为无拖曳卫星所受到的控制力，f0(t)为大气阻力，f1(t)为
太阳光压以及未建模动态，w(t)和v(t)分别为执行机构噪声和量测噪声；系数矩阵分别表
示为C＝[I3×303×3]，其中，
03×3表示3行3列的零矩阵，I3×3为3维单位矩阵，m为内部检测质量块的质量，M为无拖曳卫星
的质量；ω0为轨道角速度，Ktrans为无拖曳卫星与内部检测质量块之间耦
合的水平弹性系数，Dtrans为水平阻尼系数；为已知非线性项，其中，ω(t)＝[ω1ω2ω3]T为卫星的绝对角速度，ω1为滚动角速度，ω2为俯仰角速度，ω3为偏航角速度，假设非线性项g(x(t),t)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：
||g(x1(t),t)-g(x2(t),t)||≤||U(x1(t)-x2(t))||；
其中，符号||·||表示向量范数；
(2)根据步骤(1)建立的相对位移通道系统模型，基于系统的输入输出信息设计观测器
估计系统的状态及干扰的状态，并根据观测值设计抗干扰控制器：
将干扰模型Σ1系统模型Σ2进行增广，得到如下增广系统：
Σ3:x‾·(t)=A‾x‾(t)+G‾g‾(x‾(t),t)+H‾[u(t)+w(t)]+H‾1d‾(t)y‾(t)=C‾x‾(t)+v(t)]]>其中，状态变量量测输出系数矩阵
其中，09×6、
09×3、06×9、03×9分别表示9行6列、9行3列、6行9列、3行9列的零...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，朱玉凯，乔建忠，李文硕，张培喜，
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
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