基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法和系统技术方案

本发明专利技术一种基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法及系统，方法包括：建立多航天器之间的相对运动的坐标系，进而得到抓捕航天器的相对位置运动模型、相对姿态运动模型和基于超二次曲面的人工势场模型；构建固定时间收敛的相对位置控制的扩张状态观测器；结合基于超二次曲面的人工势场模型得到相对位置控制的非奇异固定时间终端滑模控制律；构建固定时间收敛的相对姿态控制的扩张状态观测器；结合基于超二次曲面的人工势场模型得到相对姿态控制的非奇异固定时间终端滑模控制律；采用控制律实施抓捕。该方法将其与固定时间非奇异滑模控制律相结合，以保证抓捕者对目标抓捕过程中的任务时间约束以及控制精度要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法和系统


[0001]本专利技术属于空间非合作目标抓捕领域，特别涉及一种基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法和系统。

技术介绍

[0002]随着近年来空间技术的迅速发展，自主在轨服务(OOS)技术也得到了快速地发展。人类进行了一系列空间在轨自主服务技术实验以验证其可行性，如空间站在轨组装，在轨合作目标对接，在轨故障卫星维修等，其中合作目标的空间对接、姿态与轨道保持技术、在轨维修、在轨组装技术等都是目前已较为成熟的技术。在传统航天的单航天器执行多任务的模式下，随着在轨服务任务的需求不断提高，卫星等航天器的功能也不断增加，为了追求高可靠性和多功能性，其研发成本、研制周期与风险也随之增长。然而在实际情况下，一些造价高昂的在轨卫星，由于火箭故障、卫星自身器件故障、外部空间环境影响或是空间碎片撞击等原因，导致其不能到达预期使用寿命，短时间内就失去其使用价值，导致大量研发资金损失。与之相比，小型航天器具有小卫星造价低、灵活性高、覆盖面积广、可替换性好、且可任意组合等优点，能够更好地完成在轨搭建、碎片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法，其特征在于，包括以下步骤：建立多航天器之间的相对运动的坐标系，进而得到抓捕航天器的相对位置运动模型、相对姿态运动模型和基于超二次曲面的人工势场模型；根据抓捕航天器的相对位置运动模型构建固定时间收敛的相对位置控制的扩张状态观测器；结合基于超二次曲面的人工势场模型得到相对位置控制的非奇异固定时间终端滑模控制律；根据抓捕航天器的相对姿态运动模型构建固定时间收敛的相对姿态控制的扩张状态观测器；结合基于超二次曲面的人工势场模型得到相对姿态控制的非奇异固定时间终端滑模控制律；采用相对位置控制的非奇异固定时间终端滑模控制律和相对姿态控制的非奇异固定时间终端滑模控制律实施抓捕。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述相对位置运动模型具体包括：基于修正罗德里格斯参数的相对姿态运动方程为基于修正罗德里格斯参数的相对姿态运动方程为其中，是修正罗德里格斯参数，表示抓捕航天器i相对于目标的姿态，其中i＝1,2,3；表示抓捕航天器相对于目标的角速度，其表达式为其中，和分别表示抓捕航天器和目标相对于地心惯性坐标系的角速度；表示由目标本体系到抓捕航天器本体系的姿态旋转矩阵，表达式为抓捕航天器相对于目标的姿态动力学方程为抓捕航天器相对于目标的姿态动力学方程为抓捕航天器相对于目标的姿态动力学方程为其中，表示抓捕航天器的惯量矩阵；和分别表示控制力矩和外界干扰力矩。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述相对位置运动模型具体为：抓捕航天器相对于目标的位置运动方程为抓捕航天器相对于目标的位置运动方程为其中，表示第i个抓捕航天器相对于目标的速度矢量在其本体系中的投影；m
c
表示抓捕航天器的质量；和表示控制力和外界干扰力；的表达式为其中，表示第i个抓捕航天器相对于惯性系的位置矢量在其本体系中的投影；表示目标相对于惯性系的位置矢量在其本体系中的投影；μ为地球引力常数；r
t,i
表示抓捕航天器i的期望抓捕位置；且对于任意的有有的表达式为4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于超二次曲面的人工势场模型采用以下方法得到：用圆柱体约束来描述目标本体，即其中，[x
e,i
,y
e,i
,z
e,i
]＝X
e,i
，表示第i个抓捕航天器与目标质心的相对位置在目标本体系中的投影；l1‑
l3是正常数，其值影响路径约束的尺寸；e1与e2的值影响隐函数的外形；针对抓捕航天器编队内部之间的避障问题，将其描述为球形障碍，即其中，X
i,j
＝[x
i,j
,y
i,j
,z
i,j
]＝X
c,i
‑
X
c,j
，i＝1,2,3；j＝1,2,3且i≠j，表示抓捕航天器i和j之间的距离；l4与r1是正常数，其值影响球形路径约束的半径；则势函数可以表示为
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：构建固定时间收敛的相对位置控制的扩张状态观测器具体包括以下步骤：根据位置动力学方程，对于传统的线性扩张状态观测器，将其用于估计扰动表示为以下形式其中是对时间的导数，χ
p,i
(t)是有界的，则有(t)是有界的，则有是一个正常数；设计如下线性观测器，其中表示观测误差，是对x
pm,i
的观测值；引入固定时间构建固定时间收敛的扩张状态观测器如下：则观测误差表示为其中，干扰观测器的参数α
m,i
∈(0,1)，β
m,i
∈(1,∞)，
和都是正的极小参数其取值范围为(0,0.2)，且||χ
p,i
(t)||≤γ
1,.i
；固定时间扩张状态观测器的增益系数μ
1,i
,μ
2,i
,ψ
1,i
,ψ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张震，方群，上官晔婷，张修玮，王小龙，宋硕，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：