一种航天器轨道-姿态-模态信息观测与扰动估计方法技术

本发明专利技术公开了一种航天器轨道

【技术实现步骤摘要】
一种航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计方法


[0001]本专利技术属于大型航天器稳定控制
，尤其涉及一种航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计方法。

技术介绍

[0002]大型航天器是未来空间资源利用、宇宙奥秘探索、长期在轨居住的重大战略性航天装备，通常需要多次发射并在轨进行装配建造。装配过程中大型航天器的尺度与构型发生变化，且存在空间环境的作用下，使得动力学建模困难，姿轨稳定与结构振动存在严重的非线性耦合，进而造成大型航天器稳定困难，严重阻碍了在轨精细装配技术的发展。综合考虑外界干扰、模型参数不确定性、惯性参数不确定性、测量误差、非线性耦合、执行机构饱和约束等多源复杂扰动带来的不利影响，通过构造观测器结构实现轨道
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姿态
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模态信息观测与综合扰动估计，进而获取动力学特性跨度改变后航天器状态与综合扰动信息，使得所设计的控制器具有自抗扰特性与更好的容错性，对于大型航天器在轨装配具有重要的意义与价值。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计方法，解决了大型航天器在轨精细装配过程中由于信息未知、综合干扰而导致的控制精度差、控制效率低的问题。
[0004]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种航天器轨道
‑
姿态
‑<br/>模态信息观测与扰动估计方法，包括以下步骤：
[0005]S1、针对在多源复杂综合扰动共同作用下，构建航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学模型，并将所述航天器轨道
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姿态
‑
振动一体化动力学模型转化为状态空间形式，得到航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程；
[0006]S2、以轨道信息为连接，针对航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程，引入中间状态观测器，重构获取姿态、模态以及综合扰动的估计值；
[0007]S3、以姿态信息为连接，针对航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程，引入中间状态观测器，重构获取轨道、模态以及综合扰动的估计值；
[0008]S4、根据步骤S2和步骤S3中获取的轨道、姿态、模态以及综合扰动的估计值，设计反馈补偿控制器，实现对航天器轨道
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姿态
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振动的一体化控制，完成航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计。
[0009]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过建立大型航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学模型，引入信息观测与综合扰动估计器，进行轨道、姿态、模态、扰动信息的实时观测与反馈补偿，实现控制器的设计，从而克服大型航天器在轨装配动力学特性的跨度性变化导致的控制系统性能下降，使得航天器轨道
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姿态
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振动一体化控制鲁棒性更强、组装过程更可靠、精度更高，进而显著提升在轨装配效率。
[0010]进一步地，所述步骤S1中航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程的表达式如下：
[0011][0012]x1＝v
[0013]x2＝ω
[0014]x3＝η
[0015][0016]其中，表示轨道运动系统矩阵，表示姿态运动系统矩阵，表示振动运动系统矩阵，表示轨道运动控制矩阵，u表示控制输入，表示轨道运动干扰输入矩阵，w表示外界干扰，表示姿态运动控制矩阵，表示姿态运动干扰输入矩阵，表示模态振动控制矩阵，表示模态振动干扰输入矩阵，表示轨道运动模型不确定性，表示姿态运动模型不确定性，表示模态振动模型不确定性，y1、y2、y3和y4均表示系统输出，C1、C2、C3和C4均表示输出矩阵，x1表示轨道运动速度矢量，x2表示姿态运动角速度矢量，x3表示模态振动，x4表示模态一阶微分，v1、v2、v3和v4均表示测量误差v表示速度矢量，ω表示姿态角速度矢量，η表示振动模态，和分别表示x1、x2、x3和x4的一阶微分。
[0017]上述进一步方案的有益效果是：本方案在考虑惯性参数不确定性，外界干扰，测量误差，非线性耦合等影响下，建立了大型航天器姿态
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轨道
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模态的动力学模型，为大型航天器在轨高精度奠定基础。
[0018]再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
[0019]S201、以轨道信息为连接，针对航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程，对综合扰动、姿态、模态引入中间状态观测器；
[0020]S202、基于引入的中间状态观测器，建立状态信息与综合扰动之间的关系；
[0021]S203、根据状态信息与综合扰动之间的关系，重构获取姿态、模态以及综合扰动的估计值。
[0022]上述进一步方案的有益效果是：本方案针对轨道
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姿态
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模态的耦合特性，以轨道信息为连接，对于姿态
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模态部分引入中间状态观测器实现对综合扰动、姿态信息和模态信息的高精度估计。
[0023]再进一步地，所述步骤S202中状态信息与综合扰动之间的关系的表达式如下：
[0024][0025]其中，表示姿态信息估值的一阶微分，表示观测器输出和中间状态的估计值的一阶微分，A
a
表示系统矩阵，表示姿态信息估值，B
a1
表示控制输入矩阵u
a
(t)控制输入，B
a2
表示干扰输入矩阵，表示姿态干扰估计值，L
a
表示观测器增益，y
a
(t)表示真实姿态输出，表示观测器输出，C
a
表示输出矩阵，κ
a
表示可调增益参数，表示B
a2
的转置。
[0026]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术通过建立了一组观测方程，实现对于姿态信息、模态信息的观测和中间变量估值的重构。
[0027]再进一步地，所述步骤S203中重构获取姿态、模态以及综合扰动的估计值的表达式如下：
[0028][0029]其中，表示姿态干扰的重构估计值，表示中间状态的估计值，κ
a
表示可调参数增益，表示姿态信息估计值，表示B
a2
的转置。
[0030]上述进一步方案的有益效果是：通过上述公式实现对于姿态
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模态部分综合扰动的高精度重构估计。
[0031]再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
[0032]S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、针对在多源复杂综合扰动共同作用下，构建航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学模型，并将所述航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学模型转化为状态空间形式，得到航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程；S2、以轨道信息为连接，针对航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程，引入中间状态观测器，重构获取姿态、模态以及综合扰动的估计值；S3、以姿态信息为连接，针对航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程，引入中间状态观测器，重构获取轨道、模态以及综合扰动的估计值；S4、根据步骤S2和步骤S3中获取的轨道、姿态、模态以及综合扰动的估计值，设计反馈补偿控制器，实现对航天器轨道
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姿态
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振动的一体化控制，完成航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计。2.根据权利要求1所述的航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计方法，其特征在于，所述步骤S1中航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程的表达式如下：x1＝vx2＝ωx3＝η其中，表示轨道运动系统矩阵，表示姿态运动系统矩阵，表示振动运动系统矩阵，表示轨道运动控制矩阵，u表示控制输入，表示轨道运动干扰输入矩阵，w表示外界干扰，表示姿态运动控制矩阵，表示姿态运动干扰输入矩阵，表示模态振动控制矩阵，表示模态振动干扰输入矩阵，表示轨道运动模型不确定性，表示姿态运动模型不确定性，表示模态振动模型不确定性，y1、y2、y3和y4均表示系统输出，C1、C2、C3和C4均表示输出矩阵，x1表示轨道运动速度矢量，x2表示姿态运动角速度矢量，x3表示模态振动，x4表示模态一阶微分，v1、v2、v3和v4均表示测量误差v表示速度矢量，ω表示姿态角速度矢量，η表示振动模态，和分别表示x1、x2、x3和x4的一阶微分。3.根据权利要求1所述的航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：S201、以轨道信息为连接，针对航天器轨道
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姿态
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振动一体化动力学状态空间方程，对综合扰动、姿态、模态引入中间状态观测器；S202、基于引入的中间状态观测器，建立状态信息与综合扰动之间的关系；S203、根据状态信息与综合扰动之间的关系，重构获取姿态、模态以及综合扰动的估计值。4.根据权利要求3所述的航天器轨道
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姿态
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模态信息观测与扰动估计方法，其特征在
于，所述步骤S202中状态信息与综合扰动之间的关系的表达式如下：其中，表示姿态信息估值的一阶微分，表示观测器输出和中间状态的估计值的一阶微分，A
a
表示系统矩阵，表示姿态信息估值，B
a1
表示控制输入矩阵u
a
(t)控制输入，B
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘闯，吕佰梁，岳晓奎，代洪华，张剑桥，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：