分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，方法包括建立仅有部分跟随者航天器可以与领航者航天器进行通信的通信拓扑结构，设计分布式有限时间观测器，实现了跟随者航天器对领航者信息进行观测，并采用快速非奇异终端滑模控制变量使跟随者航天器对领航者航天器进行快速协同和跟踪。本发明专利技术提供的方法具有协同时间短、控制精度高的特点。

【技术实现步骤摘要】
分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法
本专利技术涉及多航天器编队飞行
，具体涉及一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法。
技术介绍
随着航天任务多样化，由单个航天器独自完成任务的传统工作模式已经难以满足合成孔径成像、太空探测、卫星捕捉、空基干涉测量、远程通信等实际航天任务的需求。在此背景下，多航天器编队飞行研究得到迅速发展，姿态协同作为航天器编队飞行基础技术，成为近年来研究的热点之一。编队航天器个体之间通过信息传递进行姿态协同控制，从而实现特定的航天任务。多个小型航天器编队解决了传统单个大型航天器所受有效载荷体积和质量等物理性能方面的约束，提高了整体系统的可重构性和鲁棒性。由于编队航天器特殊的运行环境，航天器之间的通信会受到环境的制约，领航者信息可能无法把参考信息传递给每一个跟随者，且考虑到节约通信资源，需采用仅有部分跟随者可获得领航者参考信息的通信拓扑。与此同时，航天器会受到重力梯度、太阳光压、太阳辐射等引起的未知干扰力矩，并且由于燃料消耗、液体晃动及太阳能帆板转动的影响，导致航天器的转动惯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n步骤A、针对包含n个跟随者航天器和1个领航者航天器的航天器编队系统，在各个航天器的本体坐标系下，建立各个航天器j的姿态运动学方程和动力学方程；j＝0,1,2……n，其中，j＝0时表示领航者航天器，j＝1,2……n时表示跟随航天器；/n步骤B、基于领航者航天器的姿态运动学方程和动力学方程，根据领航者航天器的角速度，获取领航者航天器的角加速度、姿态；/n步骤C、根据航天器编队系统中各个航天器之间的通信状态构建航天器编队系统的通信拓扑结构，将所述通信拓扑结构以邻接矩阵元素aij表示；若航天器i可以接收到...

【技术特征摘要】
1.一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤A、针对包含n个跟随者航天器和1个领航者航天器的航天器编队系统，在各个航天器的本体坐标系下，建立各个航天器j的姿态运动学方程和动力学方程；j＝0,1,2……n，其中，j＝0时表示领航者航天器，j＝1,2……n时表示跟随航天器；
步骤B、基于领航者航天器的姿态运动学方程和动力学方程，根据领航者航天器的角速度，获取领航者航天器的角加速度、姿态；
步骤C、根据航天器编队系统中各个航天器之间的通信状态构建航天器编队系统的通信拓扑结构，将所述通信拓扑结构以邻接矩阵元素aij表示；若航天器i可以接收到航天器j的信息，aij＞0；否则aij＝0；其中，i＝1,2……n，i≠j；
步骤D、基于有限时间原理和一致性算法，设计分布式有限时间观测器；
步骤E、根据领航者航天器的角速度、角加速度、姿态、航天器编队系统的通信拓扑结构，以及分布式有限时间观测器，获取航天器编队系统中各个跟随者航天器对领航者航天器角速度的估计和姿态的估计；
步骤F、将各个航天器对领航者航天器角速度的估计和姿态的估计输入设定的估计误差系统，获取各个跟随者航天器的角速度跟踪误差估计值、姿态跟踪误差估计值；所述估计误差系统为各跟随者航天器的姿态跟踪误差估计方程和角速度跟踪误差估计方程；
步骤G、分别针对航天器编队系统中的各个跟随者航天器i，执行如下步骤G1至步骤G4：
步骤G1、根据跟随者航天器i和其各邻居航天器的角速度跟踪误差估计值和姿态跟踪误差估计值，构建跟随者航天器i、以及其各邻居航天器分别对应的快速非奇异终端滑模变量，进而设计跟随者航天器i的分布式航天器编队有限时间协同跟踪算法控制器fi1；所述邻居航天器为到跟随者航天器i可以通信的航天器；
步骤G2、根据跟随者航天器i的快速非奇异终端滑模变量、以及设定的外界干扰和不确定转动惯量自适应补偿控制器参数自适应律，设计跟随者航天器i的外界干扰和不确定转动惯量自适应补偿控制器fi2；
步骤G3、根据与跟随者航天器i的分布式航天器编队有限时间协同跟踪算法控制器fi1和跟随者航天器i的外界干扰和不确定转动惯量自适应补偿控制器fi2，设计跟随者航天器i的控制力矩τi＝fi1+fi2；
步骤G4：跟随者航天器i的执行机构根据控制力矩τi控制航天器，使跟随者航天器i的姿态和领航者航天器的姿态同步，最终实现航天器编队系统中的各航天器姿态一致。


2.根据权利要求1所述的分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，其特征在于，在步骤A中，各个航天器j对应的姿态运动学方程和动力学方程分别如公式(1)和公式(2)所示：



其中，分别表示表示航天器j的姿态四元数矢量、航天器j的姿态四元数标量，I是单位矩阵，ωj表示航天器j本体坐标系相对惯量坐标系在其本体坐标系下的角速度矢量，分别为的导数，表示的转置；分别是ωj的斜对称矩阵；Jj是航天器j转动惯量矩阵，τj和dj分别表示航天器j的执行机构控制力矩和干扰力矩。


3.根据权利要求1所述的分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，其特征在于，在步骤C中，所述航天...

【专利技术属性】
技术研发人员：高直，朱志浩，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32