本发明专利技术涉及多约束条件下的姿轨一体跟踪控制方法、装置，所述方法包括：步骤S1，建立航天器姿轨一体化动力学模型；步骤S2，根据所述航天器姿轨一体化动力学模型，建立抗欠驱动的相对运动姿轨一体化控制器；步骤S3，所述相对运动姿轨一体化控制器对跟踪航天器的执行机构进行控制。既考虑了欠驱动情况下的姿轨一体化控制问题，与未考虑欠驱动的控制相比，收敛速度更快，能量消耗更少，控制性能得到了极大的提高。设计的一体化控制器控制效率高、稳定性好，能够有效提高卫星控制系统长期在恶劣环境下工作的可靠性和安全性。境下工作的可靠性和安全性。境下工作的可靠性和安全性。
【技术实现步骤摘要】
多约束条件下的姿轨一体跟踪控制方法、装置
[0001]本专利技术涉及航天器控制领域，尤其涉及一种多约束条件下的姿轨一体跟踪控制方法、装置。
[0002]
技术介绍
[0003]在空间近距离观测、空间碎片移除、空间站供给、航天器交会对接、在轨服务等空间近距离操作任务中，虽然任务目标有所不同，但通常需要航天器的姿态和轨道在所设计的控制器作用下能同时完成对任务的期望轨迹的跟踪以满足任务需求。
[0004]相关技术中，专利“非合作目标绕飞悬停的姿轨协同控制方法”（CN104249816A）针对先绕飞再悬停的相对运动过程，采用实时闭环LQG轨道控制律，采用实时闭环LQG轨道控制律进行轨道控制。该专利中的技术方案虽然实现了在绕飞和悬停任务下的姿态和轨道控制，但该方法没有考虑任务过程中追踪星轨道姿态的耦合效应，也没有将其他约束条件纳入到控制器设计中，控制精度不高，推广难度大。
[0005]相关技术中，专利“一种航天器姿轨一体化反步跟踪控制方法”（CN106814746A）在反步控制器的基础上考虑输入有界问题，设计了基于抗饱和环节的输入有界反步控制器，能够实现追踪航天器对目标航天器的六自由度姿轨协同跟踪，适用于实际的在轨情况。该专利中基于对偶四元数建立了姿轨耦合模型，考虑了输入有界的问题，设计了基于抗饱和法的输入有界控制器，但没有考虑诸如执行机构故障等特殊状况，适应性不强。
[0006]论文“基于SE(3)的航天器姿轨一体化建模与控制”基于李群SE(3)理论推导了航天器姿轨耦合相对误差模型，设计的一体化控制算法能够在较短的时间内收敛，但由于滑模控制的抖振问题比较严重，导致系统刚开始振动现象比较厉害。
[0007]相关技术中，论文“Coordinative coupled attitude and orbit control for satellite formation with multiple uncertainties and actuator saturation”（Acta Astronautica，北京航空航天大学，Liming Fan，Hai Huang，2021年）研究了小航天器编队姿轨耦合控制问题，虽然考虑了执行器饱和、参数摄动和外部干扰等多种不确定性条件对控制系统的影响，但没有考虑执行器故障的问题，对突发情况的鲁棒性不强。
[0008]相关技术中虽然在姿轨一体化建模和控制领域取得了相当有益的建树，但往往考虑约束或不确定性条件不够全面，导致控制系统应对类似执行器故障等特殊情况的能力不足。航天器是一个复杂的大系统，随着控制任务的不断增多和控制系统结构的复杂化，航天器在轨飞行中可能会出现传感器或执行机构不能正常工作的情况，从而影响到星体的稳定性和可控性，甚至会导致航天任务的失败。
[0009]
技术实现思路
[0010]有鉴于此，本专利技术提供一种多约束条件下的姿轨一体跟踪控制方法、装置，充分考
虑多种约束的影响，设计控制精度高、鲁棒性强的姿轨一体化控制器，能够满足空间任务对控制系统越来越高的要求。
[0011]本专利技术首先提供了一种多约束条件下的姿轨一体跟踪控制方法所述方法包括：步骤S1，建立航天器姿轨一体化动力学模型；步骤S2，根据所述航天器姿轨一体化动力学模型，建立抗欠驱动的相对运动姿轨一体化控制器；步骤S3，所述相对运动姿轨一体化控制器对跟踪航天器的执行机构进行控制。
[0012]在一种可能的实施方式中，所述姿轨一体化动力学模型基于对偶四元数建立。
[0013]在一种可能的实施方式中，所述相对运动姿轨一体化控制器，包括抗欠驱动的相对姿态运动控制器：其中，其中，为航天器的惯量矩阵，下标1、2、3分别对应航天器本体系三个轴；表示航天器相对于目标的速度旋量在航天器本体系中的分量，分别表示航天器相对于目标的速度旋量在航天器本体系中的分量在三个轴的分量，sgn( )表示符号函数；b是一个与执行机构的特性有关的标量，表示欠驱动子系统的控制负载；为阻尼控制系数矩阵，为阻尼控制系数的广义逆，为阻尼系数，表示如下式：表示如下式：表示的转置；为对应的空投影矩阵，其形式为：，为的单位阵；是滑模控制器的滑模面，其中：是滑模控制器的滑模面，其中：均为控制器的设计参数，满足分别是扰动的绝对值的最大值；设计使得收敛到0。
[0014]在一种可能的实施方式中，所述相对运动姿轨一体化控制器，还包括抗欠驱动的相对轨道运动的姿轨耦合控制器：
；其中，为系统滑模面，为设计参数，均为正定的对角矩阵，为自适应的控制律，其表达式为：其中，为跟踪误差；为跟踪误差；表示航天器相对于目标的速度矢量在航天器本体系中的分量，表示航天器相对于目标的位置矢量在航天器本体系中的分量；分别表示已知的相对轨道运动的最优轨迹的位置和速度；待估计参数满足以下约束不等式，得到抗欠驱动的相对轨道运动的姿轨耦合控制器；和其中，为地心引力常数，为设计参数；为航天器质量，为从目标本体系变换到航天器本体系的方向余弦矩阵，为目标的姿态角速度在目标本体系的分量；的动态更新律为：的动态更新律为：为设计参数，设置为足够小的正数。
[0015]在一种可能的实施方式中，所述相对运动姿轨一体化控制器为抗输入饱和的相对运动姿轨一体化控制器。
[0016]在一种可能的实施方式中，所述相对运动姿轨一体化控制器包括抗输入饱和的相
对姿态控制器：；滑模控制器的滑模面为控制器设计参数；上标r表示指数运算；为自适应控制律，表示为下式：式中，的估计值，为自适应调节律；为自适应调节律；为自适应控制律的设计参数；；待估计参数满足下式，则得到抗输入饱和的相对姿态控制器；满足下式，则得到抗输入饱和的相对姿态控制器；为与外界扰动有关的设计参数，为控制器设计参数；表示由组成的矢量。
[0017]在一种可能的实施方式中，所述相对运动姿轨一体化控制器还包括抗输入饱和的相对姿态和相对轨道耦合控制器，包括：待估计参数，满足下式的约束条件：其中，为设计参数；设计抗输入饱和的自适应滑模控制器：其中，为闭环系统滑模面，为设计参数，
为对角阵，为自适应的控制律，其表达式为：其中为设计参数，的估计值，为自适应调节律，其更新律为：通过所述更新律中的估计得到满足所述约束条件的时得到抗输入饱和的自适应滑模控制器，即为抗输入饱和的相对姿态和相对轨道耦合控制器。
[0018]在一种可能的实施方式中，所述相对运动姿轨一体化控制器对跟踪航天器的执行机构进行控制，包括：步骤S31，所述相对运动姿轨一体化控制器接收期望输入值；步骤S32，所述相对运动姿轨一体化控制器根据所述期望输入值向所述执行机构发送控制指令；步骤S33，所述相对运动姿轨一体化控制器接收所述执行机构反馈的基于所述航天器姿轨一体化动力学模型的信息；步骤S34，所述相对运动姿轨一体化控制器判断执行机构反馈的信息是否与所述期望输入值对应，若否，则向执行机构发送调整后的控制指令并返回步骤33，直到执行机构反馈的信息与所述期望输入值对应。
[0019]本专利技术还提供了一种多约束条件下的姿轨一体跟踪控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多约束条件下的姿轨一体跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1，建立航天器姿轨一体化动力学模型；步骤S2，根据所述航天器姿轨一体化动力学模型，建立抗欠驱动的相对运动姿轨一体化控制器；步骤S3，所述相对运动姿轨一体化控制器对跟踪航天器的执行机构进行控制。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述姿轨一体化动力学模型基于对偶四元数建立。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述相对运动姿轨一体化控制器，包括抗欠驱动的相对姿态运动控制器：其中，其中，为航天器的惯量矩阵，下标1、2、3分别对应航天器本体系三个轴；表示航天器相对于目标的速度旋量在航天器本体系中的分量，分别表示航天器相对于目标的速度旋量在航天器本体系中的分量在三个轴的分量，sgn( )表示符号函数；b是一个与执行机构的特性有关的标量，表示欠驱动子系统的控制负载；为阻尼控制系数矩阵，为阻尼控制系数的广义逆，为阻尼系数，表示如下式：表示如下式：表示的转置；为对应的空投影矩阵，其形式为：，为的单位阵；是滑模控制器的滑模面，其中：是滑模控制器的滑模面，其中：和均为控制器的设计参数，满足，和分别是扰动的绝对值的最大值；设计使得收敛到0。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述相对运动姿轨一体化控制器，还包括抗欠驱动的相对轨道运动的姿轨耦合控制器：
其中，为系统滑模面，为设计参数，均为正定的对角矩阵，为自适应的控制律，其表达式为：其中， 为跟踪误差；为跟踪误差；表示航天器相对于目标的速度矢量在航天器本体系中的分量，表示航天器相对于目标的位置矢量在航天器本体系中的分量；和分别表示已知的相对轨道运动的最优轨迹的位置和速度；待估计参数满足以下约束不等式，得到抗欠驱动的相对轨道运动的姿轨耦合控制器；和和其中为地心引力常数，为设计参数；为航天器质量，为从目标本体系变换到航天器本体系的方向余弦矩阵，为目标的姿态角速度在目标本体系的分量；的动态更新律为：的动态更新律为：为设计参数，设置为足够小的正数。5.根据权利要求1所述的控制方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：王常虹，张大力，夏红伟，马广程，李同顺，朱文山，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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