空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法技术

一种空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法，包括以下步骤：1)建立视线坐标系下的非合作目标自主视线交会相对轨道运动模型；2)定义相对轨道控制状态量，将相对轨道运动模型转化为仿射形式；3)以指数收敛速度、超调量和稳态误差边界为约束建立预设性能边界函数；4)设计相对轨道无模型预设性能控制器；5)设计相对姿态无模型预设性能控制器。本发明专利技术具针对存在自旋和未知机动的非合作目标进行自主交会控制，该控制方法无需对模型的具体参数即能够实现非合作目标高精度强鲁棒性自主交会控制，具有较强的理论意义和工程应用价值。此外，本发明专利技术能够极大地提高非合作目标交会任务的安全性。

【技术实现步骤摘要】
空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法
本专利技术属于航天非合作目标控制领域，涉及一种自主交会鲁棒控制技术，尤其涉及一种空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法。
技术介绍
对空间目标或空间设施进行在轨服务和维护是航天领域未来重要的发展方向。自主空间交会是对目标进行在轨服务的前提，也是当前空间
的研究热点。针对合作目标的接近与跟踪技术已经相对成熟，包括中国在内的多个国家均成功进行了在轨实验验证[1-3]。随着空间技术的不断发展，针对空间非合作目标的在轨服务任务引起了学者的关注。由于非合作目标具有外形与动力学参数的先验信息少、缺少合作标识、可能存在翻滚、信息层面不沟通、机动行为不配合等特点，其交会轨迹规划与控制需要综合考虑交会过程中的不确定性、目标运动特性与后续操作的精度需求[4]。针对非合作目标的自主交会问题，陈统等学者[5]建立了基于视线坐标系的姿轨联合运动模型，并结合模糊控制理论的鲁棒性克服了非合作目标所带来的不确定性。高登巍等[6]则将视线跟踪模型与最优控制理论相结合，利用θ-D方法求解非线性最优控制，实现高精度非合作目标接近与跟踪。基于预测控制理论，Weiss等[7]提出了一种具有避障功能的空间交会线性二次型模型预测控制方法。郭永等[8]则基于蔓叶线与人工势场法提出了一种与非合作目标安全交会的姿轨联合控制方法。值得注意的是，上述控制方法均依赖于精确的系统模型和参数，是“模型依赖”的控制方法。而在实际工况中，由于非合作目标缺乏合作测量标识，测量结果存在较大的不确定性；追踪航天器在进行多次变轨接近非合作目标的过程中，其质量和惯量矩阵也因燃料消耗和液体晃动存在一定的变化；非合作目标还可能存在难以测量的机动(如不规则翻滚、逃逸行为等)。因此基于精确模型提出的控制方法在实际工况中很难获得理想的效果。除此之外，基于非线性最优控制的θ-D方法和模型预测控制方法计算复杂度较高，难以满足在线控制的需求。综上所述，针对传统非合作目标交会控制方法存在的缺点，亟需提出一种新的控制方法，该方法一方面无须对系统模型的具体参数进行先验估计或在线辨识，具有“无模型”的特征。此外，该方法还能预先设计交会系统的稳态和瞬态性能，保证在系统参数未知的情况下，系统状态仍能按照期望的性能收敛于期望值。参考文献[1]MohamedO,BrettN.RelativeMotionGuidance,NavigationandControlforAutonomousOrbitalRendezvous[C].AIAAGuidance,Navigation,andControlConference,Oregon,Portland,August08-11,2011.[2]周建平.天宫一号/神舟八号交会对接任务总体评述[J].载人航天,2012,18(1):1-5.[3]FriendRB.OrbitalExpressprogramsummaryandmissionoverview[C].SensorsandSystemsforSpaceApplications,Orlando,FL,USA,Mar17,2008.[4]梁斌,杜晓东,李成,等.空间机器人非合作航天器在轨服务研究进展[J].机器人,2012,34(2):242-256.[5]陈统,徐世杰.非合作式自主交会对接的终端接近模糊控制[J].宇航学报,2006,27(3):416-421.[6]高登巍,罗建军,马卫华,等.接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制[J].宇航学报,2013,34(6):773-781.[7]WeissA,BaldwinM,ErwinRS,etal.ModelPredic-tiveControlforSpacecraftRendezvousandDocking:StrategiesforHandlingConstraintsandCaseStudies[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2015,23(4):1638-1647.[8]郭永,宋申民,李学辉.非合作交会对接的姿态和轨道耦合控制[J].控制理论与应用,2016,33(5):638-644.
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法，通过在对交会系统模型的具体参数和非合作目标的机动行为缺乏足够认识的前提下设计无模型控制器，实现预先设计交会系统的稳态和瞬态性能，保证在系统参数未知的情况下，系统状态仍能按照期望的性能收敛于期望值。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案包括以下步骤：1)建立视线坐标系下的非合作目标自主视线交会相对轨道运动模型；式中，ρ为追踪航天器到非合作目标的标量距离；qε为视线坐标系下的视线倾角；qβ为视线坐标系下的视线偏角；d＝[d1d2d3]T为相对运动中的干扰总和；a＝[a1a2a3]T为非合作目标的未知加速度；u＝[u1u2u3]T为追踪航天器的控制力加速度矢量；2)定义相对轨道控制状态量xo1＝[ρ-ρd,qε-qεd,-(qβ-qβd)]T，将相对轨道运动模型转化为仿射形式：式中，3)以指数收敛速度、超调量和稳态误差边界为约束建立预设性能边界函数；4)设计相对轨道无模型预设性能控制器；5)设计相对姿态无模型预设性能控制器。所述步骤1)中设追踪航天器与非合作目标的最终相对距离为ρf，追踪航天器的期望视线倾角qεd和期望视线偏角qβd由计算得到，式中，ρld＝[ρdqεdqβd]T为视线坐标系下追踪航天器的期望位置；为惯性坐标系到视线坐标系的坐标转换矩阵；为非合作目标本体坐标系到惯性系的转换矩阵；nb为非合作目标上的特征点在其本体坐标系中的单位方向矢量；基于四元数的追踪航天器姿态运动学方程如下，式中，ω为追踪航天器的角速度；为追踪航天器的姿态四元数；叉乘算子[·×]对于任意三维向量ξ＝[ξ1ξ2ξ3]T定义为，追踪航天器的姿态动力学方程为为追踪航天器的惯量矩阵；M＝(M1M2M3)T和N＝(N1N2N3)T分别为追踪航天器姿态控制力矩和外部干扰；追踪航天器的期望姿态综合考虑非合作目标的位置和太阳光线的入射方向；令追踪航天器本体坐标系的xbcf轴为观测设备的中心轴线，太阳能帆板沿追踪航天器的ybcf轴安装，假设太阳光线的入射方向为χ，则追踪航天器的期望空间姿态为，借助坐标轴旋转方式和四元数的关系，计算得到追踪航天器的期望姿态四元数qd＝[qdv,qd4]T＝[qd1,qd2,qd3,qd4]T。所述的步骤2)令姿态控制状态量xa1＝qv-qdv,则其中所述的步骤3)先以指数收敛速度和稳态误差边界为约束定义严格递减的正值预设性能函数α(t)＝(α0-α∞)exp(-βt)+α∞，式中，α0为预设性能函数的初值，在选取时大于状态量范数的初值；α∞为预设性能函数的终值，能够保证状态量z最终收敛于稳定域ζz＝{z∈R:|z|＜α∞}中；β为收敛速度，能够保证系统状态至少以指数速度收敛；再以超调量为约束规定如下所示的预设性能边界δ是为防止状态量超调而定义的常量，满足最后将预设性能边界改写为如下形式Lα(t)＜z(t)＜Uα(t)，式中所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法，其特征在于，包括：1)建立视线坐标系下的非合作目标自主视线交会相对轨道运动模型；

【技术特征摘要】
1.一种空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法，其特征在于，包括：1)建立视线坐标系下的非合作目标自主视线交会相对轨道运动模型；式中，ρ为追踪航天器到非合作目标的标量距离；qε为视线坐标系下的视线倾角；qβ为视线坐标系下的视线偏角；d＝[d1d2d3]T为相对运动中的干扰总和；a＝[a1a2a3]T为非合作目标的未知加速度；u＝[u1u2u3]T为追踪航天器的控制力加速度矢量；2)定义相对轨道控制状态量xo1＝[ρ-ρd,qε-qεd,-(qβ-qβd)]T，将相对轨道运动模型转化为仿射形式：式中，3)以指数收敛速度、超调量和稳态误差边界为约束建立预设性能边界函数；4)设计相对轨道无模型预设性能控制器；5)设计相对姿态无模型预设性能控制器。2.根据权利要求1所述空间非合作目标自主视线交会的无模型预设性能控制方法，其特征在于：所述步骤1)中设追踪航天器与非合作目标的最终相对距离为ρf，追踪航天器的期望视线倾角qεd和期望视线偏角qβd由计算得到，式中，ρld＝[ρdqεdqβd]T为视线坐标系下追踪航天器的期望位置；为惯性坐标系到视线坐标系的坐标转换矩阵；为非合作目标本体坐标系到惯性系的转换矩阵；nb为非合作目标上的特征点在其本体坐标系中的单位方向矢量；基于四元数的追踪航天器姿态运动学方程如下，

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建军，殷泽阳，魏才盛，袁建平，王明明，高登巍，朱战霞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61