一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法技术

本发明专利技术公开了一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，通过设计扩张状态观测器对速度级相对状态信息进行实时观测，并对由非合作目标运动引入的未知动态项和外界干扰组成的复合不确定性项进行在线估计，借助扩张状态观测器的观测值对不确定性项进行前馈补偿，并在李雅普诺夫框架下设计自主逼近控制器，本发明专利技术不需要用到两航天器之间的速度级相对运动信息，不依赖于非合作目标的精确运动信息，同时也不需要服务航天器和非合作目标之间的相对速度信息，因此，该控制方法更加符合实际的逼近环境，具体更强的环境适应性和工程应用可能性，能够为未来的在轨服务任务提供理论支撑，同时不需要非合作目标的准确运动信息。

【技术实现步骤摘要】
一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法
本专利技术涉及一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，该方法属于航天器动力学领域。
技术介绍
目前，在轨运行着数以万计的空间物体，这些物体除了在轨正常运行的人造卫星外，更多的是空间碎片、废弃卫星、火箭上面级等空间非合作目标。这些空间非合作目标不仅占据着很多宝贵的空间位置，同时也给在轨运行的正常航天器的安全造成了影响。空间非合作目标，通常是指那些没有合作标识器，不能通过星间链路向服务航天器传递其运动信息的空间失效卫星。为了减缓空间态势压力，就有必要对这些非合作目标进行在轨服务操作，主要包括对故障卫星进行在轨维修与再利用、对寿命将至的卫星进行部件升级、以及对碎片进行清理与销毁。在对空间非合作目标进行在轨服务的过程中会涉及到很多的技术难点，其中一个就是对非合作目标的自主逼近。与传统的合作目标所不同，非合作由于不能向服务航天器传递其自身的运行信息，这对自主逼近控制策略的提出带来了严峻的挑战。对非合作目标自主逼近过程的研究非常的多，这些研究主要集中在以下几个方面：(1)考虑逼近过程中出现的多种约束限制，例如碰撞规避、视线约束、推力限制等等，设计能够满足约束条件的最优交会轨迹；(2)考虑逼近过程中出现的模型不确定性、外界扰动等，设计非线性鲁邦反馈控制策略，从而实现对目标的自主逼近。在这些研究中普遍都假设目标的运动信息完全已知，同时假设服务航天器和非合作目标之间的相对运动信息完全已知。考虑到非合作目标的真实特性，这些假设条件很难在实际的自主逼近过程中得到满足。这是为什么至今为止仍然没有一个国家进行过相关的在轨演示验证操作。专利技术内容本专利技术的目的在于提供一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，不需要目标航天器的精确运动信息，同时也不需要服务航天器和非合作目标之间的相对速度信息，本专利技术能够保证闭环系统的一致有界，符合实际的逼近环境，具体更强的环境适应性和工程应用可能性。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，包括以下步骤：步骤1)、建立航天器近距离逼近非合作目标过程中的相对动力学模型；步骤2)、根据步骤1)所建立的相对位置运动模型，利用扩张状态观测器对逼近过程中的不可测状态和不确定项并对不可测状态和不确定项进行观测与估计，得到扩张状态观测值；步骤3)、对步骤2)所得到的扩张状态观测值对自主逼近动力学模型中出现的不确定项进行前馈补偿，并利用得到的扩张状态观测值代替不可测状态，进而在李雅普诺夫框架下得到控制方程实现对非合作目标的自主逼近控制。进一步的，航天器在逼近非合作目标过程中的相对动力学模型表示如下：其中Xp,1＝[x,y,z]T表示服务航天器相对与非合作目标的位置矢量在非合作目标轨道坐标系下的表示，表示服务航天器相对与非合作目标的速度矢量在非合作目标轨道坐标系下的表示，和表示Xp,1和Xp,2相对于时间的一阶导数，θ表示非合作目标的轨道真近点角，和分别表示θ相对于时间的一阶导数和二阶导数，F＝[Fx,Fy,Fz]T表示控制力矢量，fd＝[fd,x,fd,y,fd,z]T表示外部干扰力，Yp,1表示系统的输出；矩阵A1的具体表达式为非线性项g的具体表达式为进一步的，其中和的精确值为：其中和表示服务航天器对和的测量值，和测量过程中存在的不确定性。进一步的，对不可测状态和不确定项进行观测与估计，将相对动力学模型进一步表示成下面形式，即：其中矩阵A10的具体表达式为非线性项g1的具体表达式如下：进一步的，将非线性项g1视为一个扩张状态Xp,3，即Xp,3＝g1，则相对动力学模型转化为如下的扩张状态系统：其中ν(t)表示非线性项g1相对于时间的导数，是未知有界的；建立如下的线性扩张观测公式，即其中ω0表示线性扩张观测器的带宽，且满足ω0＞0，Zp,i表示对状态Xp,i的观测值i＝1,2,3。进一步的，令Ep,i＝Zp,i-Xp,i(i＝1,2,3)表示观测器的观测误差，并对观测误差进行量纲化，即令得到：其中Ae是一个赫尔维茨矩阵；任意的对称正定矩阵Q，都存在一个唯一的正定矩阵P，满足如下等式，即进一步的，对自主逼近动力学模型中出现的不确定项进行前馈补偿，首先设计如下的辅助变量sp,1，即sp,1＝Zp,2+Λ1Xp,1其中Λ1为一个3乘3的正定矩阵，结合步骤2)，对sp,1求时间导数，可得：在李雅普诺夫框架下获得非合作目标自主逼近控制方程：F＝mc(-A10Xp,1-Zp,3-Λ1Zp,2-K1sp,1)其中K1表示一个3乘3的正定矩阵。进一步的，李雅普诺夫函数V1：V1对时间求导，并将步骤3)中得到的方程代入上式，可得利用杨不等式，对上式进行放缩可得其中ε1，ε0，ε2，以及ε3表正常数，Ψ的具体表达式为Σ的表达式为Σ＝||PBedf||2，M1的表达式为由上式可知，保证矩阵Λ1-(ε1+ε0)I3，K1-Ψ，以及ω0Q-M1都是正定的，由上式可得：其中χ1＝min(λmin(Λ1-ε1I3),λmin(K1-Ψ),λmin(ω0Q-M1))，λmin(Λ1-ε1I3)表示Λ1-ε1I3的最小特征值，λmin(K1-Ψ)表示K1-Ψ的最小特征值，λmin(ω0Q-M1)表示ω0Q-M1的最小特征值，λmax(P)表示P的最大特征值。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提出了一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，通过设计扩张状态观测器对速度级相对状态信息进行实时观测，并对由非合作目标运动引入的未知动态项和外界干扰组成的复合不确定性项进行在线估计，借助扩张状态观测器的观测值对不确定性项进行前馈补偿，并在李雅普诺夫框架下设计自主逼近控制器，本专利技术所设计的自主逼近控制策略不需要用到两航天器之间的速度级相对运动信息，不依赖于非合作目标的精确运动信息，同时也不需要服务航天器和非合作目标之间的相对速度信息，因此，该控制方法更加符合实际的逼近环境，具体更强的环境适应性和工程应用可能性，能够为未来的在轨服务任务提供理论支撑。同时不需要非合作目标的准确运动信息，因此所设计的控制器更加贴近真实的非合作目标逼近场景，具有更高的工程应用价值。附图说明图1是本专利技术控制原理框图。图2是本专利技术设计流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：如图1、图2所示，一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，包括以下步骤：步骤1)、建立航天器近距离逼近非合作目标过程中的相对动力学模型；服务航天器在逼近非合作目标过程中的相对位置动力学模型可以表示如下：其中Xp,1＝[x,y,z]T表示服务航天器相对与非合作目标的位置矢量在非合作目标轨道坐标系下的表示，表示服务航天器相对与非合作目标的速度矢量在非合作目标轨道坐标系下的表示，和表示Xp,1和Xp,2相对于时间的一阶导数，θ表示非合作目标的轨道真近点角，和分别表示θ相对于时间的一阶导数和二阶导数，F＝[Fx,Fy,Fz]T表示控制力矢量，fd＝[fd,x,fd,y,fd,z]T表示外部干扰力，Yp,1表示系统的输出；矩阵A1的具体表达式为非线性项g的具体表达式为由于非合作目标的准确运动信息不能被服务航天器得到，因此和的精确值很难测得；其中和的精确值为：其中和表示服务航天器对和的测量值，和测量过程中存在的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、建立航天器近距离逼近非合作目标过程中的相对动力学模型；步骤2)、根据步骤1)所建立的相对位置运动模型，利用扩张状态观测器对逼近过程中的不可测状态和不确定项并对不可测状态和不确定项进行观测与估计，得到扩张状态观测值；步骤3)、对步骤2)所得到的扩张状态观测值对自主逼近动力学模型中出现的不确定项进行前馈补偿，并利用得到的扩张状态观测值代替不可测状态，进而在李雅普诺夫框架下得到控制方程实现对非合作目标的自主逼近控制。

【技术特征摘要】
1.一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、建立航天器近距离逼近非合作目标过程中的相对动力学模型；步骤2)、根据步骤1)所建立的相对位置运动模型，利用扩张状态观测器对逼近过程中的不可测状态和不确定项并对不可测状态和不确定项进行观测与估计，得到扩张状态观测值；步骤3)、对步骤2)所得到的扩张状态观测值对自主逼近动力学模型中出现的不确定项进行前馈补偿，并利用得到的扩张状态观测值代替不可测状态，进而在李雅普诺夫框架下得到控制方程实现对非合作目标的自主逼近控制。2.根据权利要求1所述的一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，其特征在于，航天器在逼近非合作目标过程中的相对动力学模型表示如下：其中Xp,1＝[x,y,z]T表示服务航天器相对与非合作目标的位置矢量在非合作目标轨道坐标系下的表示，表示服务航天器相对与非合作目标的速度矢量在非合作目标轨道坐标系下的表示，和表示Xp,1和Xp,2相对于时间的一阶导数，θ表示非合作目标的轨道真近点角，和分别表示θ相对于时间的一阶导数和二阶导数，F＝[Fx,Fy,Fz]T表示控制力矢量，fd＝[fd,x,fd,y,fd,z]T表示外部干扰力，Yp,1表示系统的输出；矩阵A1的具体表达式为非线性项g的具体表达式为3.根据权利要求2所述的一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，其特征在于，其中和的精确值为：其中和表示服务航天器对和的测量值，和测量过程中存在的不确定性。4.根据权利要求3所述的一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，其特征在于，对不可测状态和不确定项进行观测与估计，将相对动力学模型进一步表示成下面形式，即：其中矩阵A10的具体表达式为非线性项g1的具体表达式如下：5.根据权利要求4所述的一种针对空间非合作目标自主逼近控制方法，其特征在于，将非线性项g1视为一个扩张状态Xp...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁建平，李琪，张博，张军华，王伟，高琛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61