一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法技术

本发明专利技术涉及一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法，针对多源干扰以及执行器故障混杂使得航天器集群姿态协同控制性能下降的问题，首先，针对包含领导者和跟随者的刚性航天器集群系统，建立领导者姿态模型，并建立含有执行器故障和多源干扰的跟随者姿态模型；其次，引入滞后量化器对跟随者的控制输入进行量化，以减轻星载通信负担；再次，设计分布式观测器，估计动态通信拓扑下领导者的姿态；最后，结合分布式观测器设计基于自适应参数辨识的航天器姿态协同控制器，确保跟随者的姿态能够跟踪上领导者的姿态。本发明专利技术实现了干扰和故障混杂情形下航天器集群无连续通信的姿态协同控制，具有较高鲁棒性、较低能耗、易于工程实现的特点。工程实现的特点。工程实现的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法


[0001]本专利技术属于航天器控制
，具体涉及一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法，主要应用于含有执行器故障和多源干扰的航天器集群分布式姿态协同控制，同时基于滞后量化器，给出各航天器的通信时刻。

技术介绍

[0002]航天器集群采用多个小型航天器协同的模式，具有研制周期短、发射成本低、设计灵活、响应快等优点，能够满足当前日益增长且多变的航天任务需求。在重力场测量、引力波探测等空间任务中，航天器集群中各航天器的姿态要保持一定规律的协同。航天器集群在太空飞行过程中，不可避免地会受到太阳辐射力矩、重力梯度力矩等环境干扰的影响，这些干扰会导致航天器姿态产生偏差，使得航天器集群的协同模式被破坏。与此同时，航天器集群系统达到一定工作时长，航天器的执行器、敏感器和控制器可能会出现效能下降等故障，这些故障也会使得航天器的姿态测量、姿态指向发生偏差。亟需研究干扰和故障混杂情形下的航天器集群姿态协同控制。
[0003]此外，现有航天器集群姿态协同控制方案中，大多要求控制器与执行机构之间的通信连续。然而，在实际情况下，星载设备硬件能力有限，无法支持连续通信方式。因此，干扰和故障混杂情形下无需连续通信的姿态协同控制方案也需要进一步研究。
[0004]为应对空间感知复杂任务需求、适应博弈对抗态势，集群通信拓扑从静态向动态转变。然而，目前针对航天器集群姿态协同控制的研究集中在通信拓扑是固定不变的情况下，对动态通信拓扑下的姿态协同控制技术的研究较少。中国专利申请CN202010174427.9中提出了一种基于事件触发通信的航天器抗干扰姿态协同控制方法，考虑了外部环境干扰下航天器之间事件触发通信的姿态协同控制方法，但只讨论了固定通信拓扑下的情况，没有考虑通信拓扑是动态的以及执行器发生失效的可能性；中国专利申请CN202211178812.6提出了一种基于事件触发的航天器编队姿态协同控制方法，考虑了受到干扰的影响，但只考虑了外部扰动，没有考虑航天器内部的干扰；中国专利申请CN202110528568.0提出了一种执行机构故障的挠性航天器有限时间姿态协同控制方法，虽然研究了挠性航天器发生执行机构故障的情况，但是忽略了星载设备能力约束，发生故障的执行机构仍需不断接收控制信号并做出信号转换。文献《多航天器系统分布式固定时间输出反馈姿态协同跟踪控制》提出了一种基于积分滑模的分布式固定时间姿态协同控制器，能够实现多航天器在角速度不可测条件下的姿态协同。文献《基于super
‑
twisting算法的多航天器姿态有限时间分布式协同控制》提出了一种基于supper
‑
twisting算法和积分滑模的分布式姿态协同控制方法。上述两篇文献均取得了较好的控制效果，但是它们是基于固定通信拓扑进行姿态协同控制方案的设计，未考虑敌方通信攻击等因素引起的通信拓扑变化的情况，工程中难以直接应用。
[0005]综上所述，现有方法在执行器发生故障以及执行器振动干扰、外部环境干扰等多源干扰下，缺乏动态通信拓扑下的高精度姿态协同控制方法，因此研究基于抗干扰技术的
航天器分布式姿态协同控制方法刻不容缓。

技术实现思路

[0006]针对动态通信拓扑下航天器集群的姿态抗干扰协同跟踪控制问题，克服现有技术的不足，本专利技术提供一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法，其为基于自适应技术的航天器姿态协同跟踪控制方法，既可以准确估计动态拓扑下领导者航天器的姿态和角速度，又实现了对执行器故障、干扰以及输入量化系数的快速估计；采用有限时间滑模控制方法使得跟随者航天器能够跟踪上领导者姿态信号，提升了动态拓扑下航天器集群姿态协同控制过程中的精确性及抗干扰能力。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法，包括以下步骤：
[0009]第一步，针对包含领导者和跟随者的刚性航天器集群系统，基于修正罗德里格参数，先对部分信息未知的领导者进行姿态运动学与动力学的建模；其次，考虑跟随者出现执行器故障和多源干扰混杂的情形，建立跟随者的姿态运动学和动力学模型；最后利用代数图论描述航天器集群系统的动态通信拓扑结构；
[0010]第二步，针对跟随者控制器与执行器之间通信资源损耗较大的问题，引入滞后量化器，对跟随者的控制输入进行量化，以减轻星载通信负担；
[0011]第三步，针对第一步建立的领导者姿态运动学与动力学模型，设计基于自适应参数辨识的分布式观测器，以估计动态拓扑下的领导者姿态及其角速度；
[0012]第四步，基于第三步得到的领导者姿态及其角速度估计值，利用有限时间滑模控制方法设计航天器抗干扰自适应控制器，保证跟随者能够跟踪上领导者的姿态及其角速度，完成干扰故障混杂情形下的航天器集群姿态协同控制方法。
[0013]进一步地，所述第一步中，考虑1个领导者和n个跟随者航天器，其中0#航天器表示领导者，1～n#航天器表示跟随者；
[0014]首先，定义如下记号：表示r实数向量的集合；表示r
×
r实数矩阵的集合；diag{
·
}表示对角矩阵；blockdiag{
·
}表示块对角矩阵；表示矩阵A的每一个元素与矩阵B相乘形成的分块矩阵；I
e
为e
×
e维的单位矩阵；m∈M表示元素m属于集合M；表示集合M的所有元素都是集合N的元素；||
·
||表示向量的欧几里德范数；|
·
|表示实数的绝对值；A
T
表示矩阵或者向量A的转置矩阵；表示向量a对时间的一阶导数；表示向量a对时间的二阶导数；对向量而言，x
×
表示以下斜对称矩阵：
[0015][0016]领导者的姿态模型用修正罗德里格参数表示为：
[0017][0018]ω0＝C0v0,
[0019]其中，表示领导者的修正罗德里格参数，用于表示领导者本体坐标系相对
于惯性坐标系的方向；表示σ0关于时间的导数；表示领导者本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度；为已知的常数矩阵；为部分信息未知的矩阵；为部分信息未知的矩阵；表示v0关于时间的导数；
[0020]假设领导者系统矩阵S0的最小多项式无重根且其所有特征值的实部均为0；假设存在整数满足且存在正实数使得：
[0021][0022]其中，
[0023]跟随者i的姿态模型用修正罗德里格参数表示为：
[0024][0025][0026]其中，表示跟随者i的修正罗德里格参数；表示跟随者i本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度；为跟随者i的转动惯量矩阵；ρ
i
(t)是跟随者i执行器的失效故障系数，0＜|ρ
i
(t)|≤1；表示跟随者i的控制力矩，也是其执行器的期望输出值；表示执行器的漂移故障信号；表示跟随者i受到的执行器振动干扰力矩；表示跟随者i受到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，针对包含领导者和跟随者的刚性航天器集群系统，基于修正罗德里格参数，先对部分信息未知的领导者进行姿态运动学与动力学的建模；其次，考虑跟随者出现执行器故障和多源干扰混杂的情形，建立跟随者的姿态运动学和动力学模型；最后利用代数图论描述航天器集群系统的动态通信拓扑结构；第二步，针对跟随者控制器与执行器之间通信资源损耗较大的问题，引入滞后量化器，对跟随者的控制输入进行量化，以减轻星载通信负担；第三步，针对第一步建立的领导者姿态运动学与动力学模型，设计基于自适应参数辨识的分布式观测器，以估计动态拓扑下的领导者姿态及其角速度；第四步，基于第三步得到的领导者姿态及其角速度估计值，利用有限时间滑模控制方法设计航天器抗干扰自适应控制器，保证跟随者能够跟踪上领导者的姿态及其角速度，完成干扰故障混杂情形下的航天器集群姿态协同控制方法。2.根据权利要求1所述的一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法，其特征在于：所述第一步中，考虑1个领导者和n个跟随者航天器，其中0#航天器表示领导者，1～n#航天器表示跟随者；首先，定义如下记号：表示r实数向量的集合；表示r
×
r实数矩阵的集合；diag{
·
}表示对角矩阵；blockdiag{
·
}表示块对角矩阵；表示矩阵A的每一个元素与矩阵B相乘形成的分块矩阵；I
e
为e
×
e维的单位矩阵；m∈M表示元素m属于集合M；表示集合M的所有元素都是集合N的元素；||
·
||表示向量的欧几里德范数；|
·
|表示实数的绝对值；A
T
表示矩阵或者向量A的转置矩阵；表示向量a对时间的一阶导数；表示向量a对时间的二阶导数；对向量而言，x
×
表示以下斜对称矩阵：领导者的姿态模型用修正罗德里格参数表示为：领导者的姿态模型用修正罗德里格参数表示为：ω0＝C0v0,其中，表示领导者的修正罗德里格参数，用于表示领导者本体坐标系相对于惯性坐标系的方向；表示σ0关于时间的导数；表示领导者本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度；为已知的常数矩阵；为部分信息未知的矩阵；为部分信息未知的矩阵；表示v0关于时间的导数；假设领导者系统矩阵S0的最小多项式无重根且其所有特征值的实部均为0；假设存在整数满足且存在正实数使得：
其中，跟随者i的姿态模型用修正罗德里格参数表示为：跟随者i的姿态模型用修正罗德里格参数表示为：其中，表示跟随者i的修正罗德里格参数；表示跟随者i本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度；为跟随者i的转动惯量矩阵；ρ
i
(t)是跟随者i执行器的失效故障系数，0＜|ρ
i
(t)|≤1；表示跟随者i的控制力矩，也是其执行器的期望输出值；表示执行器的漂移故障信号；表示跟随者i受到的执行器振动干扰力矩；表示跟随者i受到的外部环境干扰力矩；执行器漂移故障和干扰均为有界值；G(σ
i
)定义为：采用切换图描述集群内部航天器之间的动态通信拓扑，其中h(t)表示通信拓扑的切换信号，其取值集合表示航天器组成的节点集；表示航天器通信关系形成的边集；h(t)是右连续函数，并且对于任意t
k
‑1≤t＜t
k
，存在使得h(t)＝p，其中t
k
‑
t
k
‑1≥τ
d
，τ
d
＞0，k＝1,2,...；节点集中的节点0表示领导者0，节点i表示跟随者i；t时刻，当且仅当跟随者i可以获取到跟随者j的信息，边(j,i)属于边集∑
h(t)
,其中i＝1,...,n，j＝0,1,...,n；跟随者i的邻居集定义为其中邻居集包含了在t时刻能够向跟随者i发送信息的所有航天器，这些航天器也被称作跟随者i的邻居航天器；最后，定义切换图的邻接矩阵其中若(j,i)∈∑
h(t)
，那么a
ij
(t)＞0，否则a
ij
(t)＝0；考虑到实际应用中航天器不存在向自身发送信息的情况，a
ii
(t)＝0。3.根据权利要求2所述的一种干扰故障混杂情形下航天器集群姿态协同控制方法，其特征在于：所述第二步中，滞后量化器描述为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔建忠，廖雪璐，朱玉凯，王陈亮，杨永健，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：