基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法
【專利摘要】基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法。本發(fā)明涉及一種基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法。解決現(xiàn)有低軌撓性衛(wèi)星由于較大的氣動(dòng)干擾力矩與自身?yè)闲圆考駝?dòng)導(dǎo)致的衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制精度低的問(wèn)題。一種基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法，建立地心慣性坐標(biāo)系和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系；建立狀態(tài)空間表達(dá)式；確定觀測(cè)器受到的干擾信號(hào)的上界；求解觀測(cè)器增益矩陣、觀測(cè)器匹配矩陣和Lyapunov方程矩陣變量；觀測(cè)后得到滑膜觀測(cè)器估計(jì)模態(tài)振動(dòng)速度量值與滑膜觀測(cè)器估計(jì)模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)量值；將撓性衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程改寫(xiě)成誤差姿態(tài)跟蹤控制模型；確定控制律的滑模項(xiàng)增益；根據(jù)測(cè)量得到的衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)、姿態(tài)角速度信息與估計(jì)的模態(tài)量值對(duì)誤差姿態(tài)跟蹤模型采用滑模控制律進(jìn)行跟蹤控制。本發(fā)明應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制。
【專利說(shuō)明】基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制精度的要求越來(lái)越高，特別是以 光學(xué)相機(jī)為載荷的衛(wèi)星，載荷對(duì)地指向精度要求極高。對(duì)于這類衛(wèi)星，為了提高光學(xué)成像 的精度，往往會(huì)選擇低軌運(yùn)行，低軌衛(wèi)星相對(duì)于中高軌衛(wèi)星而言，受到的氣動(dòng)力矩的影響更 大，且所受氣動(dòng)力矩隨衛(wèi)星姿態(tài)的變化而改變，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制精度的影響大，因此，設(shè)計(jì) 高精度衛(wèi)星姿態(tài)控制方法時(shí)必須要考慮氣動(dòng)干擾力矩影響。此外，衛(wèi)星攜帶的太陽(yáng)帆板、大 型天線、成像載荷等撓性部件的振動(dòng)，也會(huì)降低衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度。對(duì)于撓性部件的影響 通常采用觀測(cè)器觀測(cè)模態(tài)振動(dòng)信息，并在姿態(tài)控制方法中對(duì)撓性振動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償?？傊瑸榱?提高衛(wèi)星姿態(tài)控制精度，設(shè)計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)控制算法時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄑa(bǔ)償氣動(dòng)干擾力 矩和撓性部件的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有低軌撓性衛(wèi)星由于較大的氣動(dòng)干擾力矩與自身?yè)?性部件振動(dòng)導(dǎo)致的衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制精度低的問(wèn)題，而提出一種基于滑模觀測(cè)器的低軌撓 性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法。
[0004] 一種基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法，所述低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài) 跟蹤控制方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0005] 步驟一：建立地心慣性坐標(biāo)系OX1Y1Z1和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系OXbYbZb;
[0006] 步驟二：定義模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)W= ，從而將撓性衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程為狀態(tài) 空間表達(dá)式；式中，^表示模態(tài)振動(dòng)速度，S表示剛?cè)狁詈暇仃?，ωΜ表示?dāng)前姿態(tài)角速度；
[0007] 步驟三、根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道環(huán)境性質(zhì)及角速度激發(fā)撓性振動(dòng)的關(guān)系式，確定觀測(cè) 器受到的干擾信號(hào)^ = + 的上界，且觀測(cè)器滑模項(xiàng)增益ρ滿足：ρ彡sup||d|| ; 式中，中間模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)量的觀測(cè)誤差值0 = #-^，且所述中間模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)量 的觀測(cè)誤差值斤的數(shù)值小于等于模態(tài)振動(dòng)速度的量級(jí)；
[0008] 步驟四、根據(jù)滑模觀測(cè)器理論，并綜合Lyapunov穩(wěn)定與匹配條件的約束，求解線 性矩陣不等式

【權(quán)利要求】
1. 一種基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法，其特征在于：所述低軌撓 性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)： 步驟一：建立地心慣性坐標(biāo)系OXJA和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系OXbYbZb; 步驟二：定義模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)y/ =》+&心，從而將撓性衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程為狀態(tài)空間 表達(dá)式；式中，^表示模態(tài)振動(dòng)速度，S表示剛?cè)狁詈暇仃?，?31表示當(dāng)前姿態(tài)角速度； 步驟三、根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道環(huán)境性質(zhì)及角速度激發(fā)撓性振動(dòng)的關(guān)系式，確定觀測(cè)器受 到的干擾信號(hào)d=mwx^>+:rrf的上界，且觀測(cè)器滑模項(xiàng)增益p滿足：p彡sup||d|| ;式 中，中間模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)量的觀測(cè)誤差值0 = 且所述中間模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)量的 觀測(cè)誤差值0的數(shù)值小于等于模態(tài)振動(dòng)速度的量級(jí)； 步驟四、根據(jù)滑模觀測(cè)器理論，并綜合Lyapunov穩(wěn)定與匹配條件的約束，求解線性矩
和模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)V的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而得到滑膜觀測(cè)器估計(jì)模態(tài)振動(dòng)速度量值冷與滑膜觀測(cè) 器估計(jì)模態(tài)振動(dòng)狀態(tài)量值0 ; 步驟六、定義誤差姿態(tài)四元數(shù)與誤差姿態(tài)角速度《 e，將撓性衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程改 寫(xiě)成誤差姿態(tài)跟蹤控制模型：
當(dāng)前姿態(tài)四元數(shù)，且qci表示當(dāng)前姿態(tài)四元數(shù)Qbi的標(biāo)量部分、q表示當(dāng)前姿態(tài)四元數(shù)Qbi的 矢量部分，QdI為目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)，《dI為目標(biāo)姿態(tài)角速度，得到誤差姿態(tài)四元數(shù)a 以及誤差姿態(tài)角速度叫=，其中，q6(l為所述誤差姿態(tài)四元數(shù)Q6的標(biāo)量部分，q6 為所述誤差姿態(tài)四元數(shù)96的矢量部分； 步驟七、根據(jù)衛(wèi)星軌道氣動(dòng)環(huán)境特性與觀測(cè)器誤差狀態(tài)量值全，確定控制律的滑模項(xiàng)
步驟八、根據(jù)測(cè)量得到的衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)、姿態(tài)角速度信息與步驟五 得到所述滑模觀測(cè)器估計(jì)得到的模態(tài)量值冷與分，對(duì)步驟六得到的誤差姿 態(tài)跟蹤模型采用如下形式的滑模控制律實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的高精度跟蹤控制：
界層厚度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法，其特征在 于：步驟一所述地心慣性坐標(biāo)系OXJA，所述地心慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心、 軸沿地球自轉(zhuǎn)軸方向指向北方、〇&軸指向春分點(diǎn)方向、OYT軸與OXT軸和OZT軸構(gòu)成右手直 角坐標(biāo)系； 步驟一所述衛(wèi)星本體坐標(biāo)系OXbYbZb,所述衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為衛(wèi)星質(zhì)心、0Xb 軸、〇Yb軸和OZb軸與星體固連，并使得坐標(biāo)軸的OXb軸、OYb軸和OZb軸與衛(wèi)星慣量主軸重 合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法，其特 征在于：步驟二所述將撓性衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程改寫(xiě)為狀態(tài)空間表達(dá)式：
C表示模態(tài)振動(dòng)的阻尼矩陣， K表示模態(tài)振動(dòng)的剛度矩陣，y表示狀態(tài)空間系統(tǒng)量測(cè)輸出值， H表示量測(cè)輸出矩H= (0 0 13)，u表不控制信號(hào)， f?表示非線性項(xiàng)且f=-?bIXJm?bI-c〇bIXSTV，其中，^^表示當(dāng)前姿態(tài)角速度， U表示衛(wèi)星剛性部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J表示衛(wèi)星總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，石表示剛?cè)狁詈?矩陣，ST表示剛?cè)狁詈暇仃嘢的轉(zhuǎn)置矩陣， Td表示氣動(dòng)干擾力矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于滑模觀測(cè)器的低軌撓性衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制方法，其特征 在于：步驟五所述獲得滑膜觀測(cè)器估計(jì)模態(tài)量值的具體過(guò)程為：根據(jù)模態(tài)振動(dòng)頻率與模態(tài) 振動(dòng)阻尼、步驟二描述的狀態(tài)空間表達(dá)式、姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制信號(hào)u、步驟三確定的滑 模項(xiàng)增益P與步驟四求得的觀測(cè)器增益矩陣G、觀測(cè)器匹配矩陣F和Lyapunov方程矩陣
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK104483973SQ201410668391
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】易濤, 陳雪芹, 耿云海, 曾奎, 李冬柏, 王峰, 張剛, 葉東 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)