一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法技术

本发明专利技术涉及一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法，针对在空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下的潜望镜式激光通信终端快速指向控制问题，首先，建立含有上述多源干扰的星载通信终端深耦合模型，通过分析干扰结构及特点将多源干扰视为总扰动力矩；其次，设计固定时间干扰观测器对通信终端所受总扰动力矩进行快速估计；再次，设计标称固定时间控制器并结合干扰观测器形成固定时间复合抗扰控制器；最后，结合通信终端指向时间需求，分析并指导观测器及控制器参数选取，完成运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制。本发明专利技术控制方法具有鲁棒性强、指向速度快和保证指向误差固定时间收敛的特点。时间收敛的特点。时间收敛的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法


[0001]本专利技术属于伺服系统控制领域，具体涉及一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法，解决在空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下的潜望镜式激光通信终端固定时间抗扰控制问题。

技术介绍

[0002]随着星座通信计划的快速发展与部署，高安全、高可靠的星间激光通信技术成为了重要发展方向，对星间激光链路的快速构建提出了迫切需求。国内外航天机构已经开展了激光通信关键技术攻关与在轨实验任务，并在实践过程中面临通信建链速度与链路稳定性等多方面挑战。星间激光通信的指向跟踪系统控制技术是实现稳定、持续通信的核心关键技术，要求通信终端具备高精、高稳、快速的指向跟瞄控制能力。激光通信终端指向控制系统是一个典型的强耦合、多干扰、高性能需求控制系统。例如通信终端的指向机动与卫星姿态运动耦合，在微重力环境下耦合力矩直接影响通信终端指向精度。通信终端还受到如空间环境干扰与各关节运动摩擦等特性复杂，难以精确描述的多源扰动影响。此外，为满足激光通信有限时间窗口通信需求，通信终端需要在有限时间内以特定精度指向目标星。复杂的干扰特性及严格的控制性能需求，极大的增加了激光通信终端指向控制系统设计与分析难度，传统的终端指向控制方法难以直接应用。因此，结合现有技术，设计运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法至关重要，具有广泛的应用前景。
[0003]目前，对激光通信终端抗扰控制的研究主要集中在单一扰动下，考虑多源扰动与时间约束并存情况下的通信终端抗扰控制技术研究较少。文献《卫星激光通信粗跟踪系统复合控制策略》，考虑了基于永磁同步电机直接驱动的终端指向系统，在传统PID控制策略的基础上提出了一种前馈复合控制策略，提高了系统的动态特性并降低了跟踪误差。该方法侧重驱动伺服动态，但未充分考虑指向机构耦合力矩与卫星姿态运动影响，难以在复杂扰动环境下实现理想的控制性能。中国专利申请CN201911056675.7中提出了一种激光终端粗指向机构工作模式识别及位置控制系统，针对传统PID控制方法无法兼顾动态响应快以及阶跃响应无超调的不足，设计工作模式识别策略，并针对不同的工作模式设计相应的位置环路控制参数，提高了系统跟踪性能，但该方法未充分考虑抗干扰控制问题。中国专利申请CN202110566714.9中提出了一种基于超声电机的激光终端粗指向位置控制方法，通过设置指向误差角预设门限值，当误差大于门限时采用位置环
‑
速度环联合控制，误差小于门限时仅采用位置环控制方式，保证了极低转速下系统的控制性能，但该方法忽略了通信终端中的非线性耦合项。文献《卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统》针对以永磁同步电动机驱动的终端粗跟踪系统，建立三环控制模型，在PI控制的基础上提出一种自适应增益控制，提高了系统控制精度。该方法侧重终端伺服系统动态，忽略了卫星姿态运动影响。文献《基于自抗扰控制的光电平台视轴稳定技术研究》针对扰动下光电伺服平台控制问题，利用扰动总和思想，设计了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器，结合卡尔曼滤波器处理系统量测噪声，提升了系统视轴稳定度与鲁棒性，但该方法设计过程中未充分考虑系统响应
时间指标量化问题。
[0004]综上所述，在空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下，缺乏对潜望镜式激光通信终端快速指向控制方法，亟需攻克基于抗干扰技术的激光通信终端抗扰固定时间指向控制方法。

技术实现思路

[0005]针对在空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下的潜望镜式激光通信终端固定时间抗扰控制问题，克服现有技术的不足，本专利技术提供一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法，实现对复杂多源干扰的快速估计与补偿，利用干扰估计补偿、反馈抑制及固定时间控制技术，并保证通信终端指向时间约束，提升通信终端指向控制过程的快速性、精确性及抗干扰能力。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术解决方案：
[0007]一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法，包括以下步骤：
[0008]第一步，建立空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下的深耦合星载潜望镜式激光通信终端模型，其中浮动卫星平台对终端的牵连耦合力矩通过牛顿欧拉递推计算，环境干扰及转轴摩擦视为范数有界总扰动；
[0009]第二步，针对第一步建立的深耦合星载潜望镜式激光通信终端模型，设计固定时间的干扰观测器对外部环境干扰、卫星运动耦合力矩与转轴摩擦进行快速估计，在固定时间内得到总扰动估计值；
[0010]第三步，设计标称固定时间控制器，利用第二步的干扰观测器与总扰动估计值，形成固定时间复合抗扰控制器，抑制干扰补偿误差；
[0011]第四步，结合通信终端指向时间需求，分析并指导观测器及控制器参数选取，完成运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制。
[0012]进一步地，所述第一步包括：
[0013](1)建立空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下的深耦合星载潜望镜式激光通信终端模型：
[0014][0015]其中，为第一潜望镜式通信终端连杆在质心处的Z轴转动惯量；和分别对应第二潜望镜式通信终端连杆在质心处的X轴、Y轴和Z轴转动惯量；θ1和θ2分别为第一终端关节和第二终端关节的转角；和分别为第一终端关节和第二终端关节的角速度；和分别为第一终端关节和第二终端关节的角加速度；L2为第二终端关节的连杆长；m2为第二终端关节的质量；τ1和τ2分别为第一终端关节和第二终端关节的控制力矩；和分
别为第一终端关节和第二终端关节的耦合力矩；f
S1
和f
S2
分别为卫星姿态运动对第一终端关节和第二终端关节造成的牵连耦合力矩；和为环境干扰和转轴摩擦对第一终端关节和第二终端关节的干扰力矩；
[0016](2)为了进一步描述浮动卫星平台对潜望镜式终端的牵连耦合力矩影响，通过牛顿欧拉递推计算，得到牵连耦合力矩为：
[0017][0018]其其中，和分别对应第一潜望镜式通信终端连杆在质心处的X轴和Y轴转动惯量；ω
x
、ω
y
和ω
z
分别为卫星X轴、Y轴及Z轴的姿态角速度；和分别为卫星X轴、Y轴及Z轴的姿态角加速度；L1为第一终端关节的连杆长；L2为第二终端关节的连杆长；m1为第一终端关节的质量；m2为第二终端关节的质量；A1和B1为辅助变量；
[0019](3)将潜望镜式通信终端动力学模型通过状态变换，化为积分串联型，定义x1＝[θ
1 θ2]T
，其中[
·
]T
表示
·
的转置，得到变换后的模型：
[0020][0021]其中，diag{
·
}表示对角矩阵；和为状态量x1和x2的一阶导数；τ＝[τ
1 τ2]T
为通信终端两关节输入力矩；为通信终端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，建立空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下的深耦合星载潜望镜式激光通信终端模型，其中浮动卫星平台对终端的牵连耦合力矩通过牛顿欧拉递推计算，环境干扰及转轴摩擦视为范数有界总扰动；第二步，针对第一步建立的深耦合星载潜望镜式激光通信终端模型，设计固定时间干扰观测器对外部环境干扰、卫星运动耦合力矩与转轴摩擦进行快速估计，在固定时间内得到总扰动估计值；第三步，设计标称固定时间控制器，利用第二步的干扰观测器与总扰动估计值，形成固定时间复合抗扰控制器，抑制干扰补偿误差；第四步，结合通信终端指向时间需求，分析并指导观测器及控制器参数选取，完成运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制。2.根据权利要求1所述的一种运动耦合下星载激光通信终端固定时间抗扰控制方法，其特征在于：所述第一步包括：(1)建立空间环境干扰、浮动卫星平台耦合力矩及转轴摩擦力矩多源干扰影响下的深耦合星载潜望镜式激光通信终端模型：其中，为第一潜望镜式通信终端连杆在质心处的Z轴转动惯量；和分别对应第二潜望镜式通信终端连杆在质心处的X轴、Y轴和Z轴转动惯量；θ1和θ2分别为第一终端关节和第二终端关节的转角；和分别为第一终端关节和第二终端关节的角速度；和分别为第一终端关节和第二终端关节的角加速度；L2为第二终端关节的连杆长；m2为第二终端关节的质量；τ1和τ2分别为第一终端关节和第二终端关节的控制力矩；和分别为第一终端关节和第二终端关节的耦合力矩；和分别为卫星姿态运动对第一终端关节和第二终端关节造成的牵连耦合力矩；和为环境干扰和转轴摩擦对第一终端关节和第二终端关节的干扰力矩；(2)为了进一步描述浮动卫星平台对潜望镜式终端的牵连耦合力矩影响，通过牛顿欧拉递推计算，得到牵连耦合力矩为：
＞0、和0＜η＜1；辅助函数Φ1(
·
)和Φ2(
·
)表示为：)表示为：其中，a为任意n维向量，a
i
表示向量a的第i行；α1与β1为待选取观测器参数，需满足0.5＜α1＜1和1＜β1＜1.5；|
·
|表示
·
的绝对值；sgn(
·
)为符号函数；φ1(
·
)和φ2(
·
)表示中间变量，具体表示为4.根据权利要求3所述的一种运动耦合下星载...

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