一種無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾濾波方法，可應(yīng)用于無拖曳衛(wèi)星姿 態(tài)通道的抗干擾濾波。
【背景技術(shù)】
[0002] 無拖曳衛(wèi)星目前被廣泛應(yīng)用于地球重力梯度場的測量中，高精度的地球重力梯度 場模型可滿足地震監(jiān)測、測繪保障、海洋氣象W及資源勘探等的迫切需求，極大地促進(jìn)我國 災(zāi)害預(yù)防和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。自上世紀(jì)60年代開始至今，國外學(xué)者對無拖曳控制技術(shù)進(jìn)行 了大量的研究，并且已成功發(fā)射數(shù)顆無拖曳衛(wèi)星，獲得了理想的控制效果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括 德國的CHAMP衛(wèi)星、美國的GRACE衛(wèi)星W及歐空局的G0CE衛(wèi)星。因此，對無拖曳控制技術(shù)的研 究對擁有我國自主的重力梯度測量衛(wèi)星具有重大意義。無拖曳衛(wèi)星的原理是通過內(nèi)置檢測 質(zhì)量塊，并通過控制衛(wèi)星和檢測質(zhì)量塊達(dá)到高寧靜的運(yùn)動(dòng)特性，能夠達(dá)到航天領(lǐng)域?qū)Τo 平臺的要求;根據(jù)無拖曳衛(wèi)星的原理，可將其數(shù)學(xué)模型分為衛(wèi)星姿態(tài)通道、相對位移通道W 及檢查質(zhì)量塊姿態(tài)通道。而無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的控制目標(biāo)是使無拖曳衛(wèi)星的本體坐標(biāo)系 跟蹤軌道坐標(biāo)系，從而便于無拖曳衛(wèi)星進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)任務(wù)。
[0003] 在無拖曳衛(wèi)星運(yùn)行的近地軌道中，無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道面臨的干擾包括:大氣阻 力力矩、太陽光壓力矩W及重力梯度力矩等外部環(huán)境干擾力矩，慣量不確定性、模型不確定 性項(xiàng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)噪聲W及量測噪聲等來自內(nèi)部的干擾;并且多源干擾對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通 道的影響很大，無法達(dá)到其高精度姿態(tài)控制的要求。已有的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾 濾波方法中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李傳江等提出了卡爾曼濾波結(jié)合最優(yōu)控制的方法，但存在 外部環(huán)境干擾力矩過于簡單W及未考慮慣量不確定性、模型不確定性項(xiàng)的能力有界干擾的 問題;華中科技大學(xué)的李季設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，具有一定的魯棒性和抗干擾性 能，但未考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)噪聲W及量測噪聲的干擾;哈爾濱工業(yè)大學(xué)的曹喜斌等設(shè)計(jì)了基于 干擾觀測器的控制方法，有效補(bǔ)償了外部環(huán)境干擾力矩，但未考慮慣量不確定性、模型不確 定性項(xiàng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)噪聲W及量測噪聲等來自內(nèi)部的干擾。因此，目前的針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài) 通道的控制方法存在未充分考慮多源干擾，保守性較大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有的針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的控制方法存在 未充分考慮多源干擾，保守性較大的問題，設(shè)計(jì)一種針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾濾 波方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:含有大氣阻力力矩、太陽光壓力矩、重力梯度力矩等外 部環(huán)境干擾力矩、慣量不確定性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)噪聲、量測噪聲W及模型不確定性項(xiàng)等多源干擾 的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道。首先，建立含有多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型；其 次，建立外部環(huán)境干擾力矩的數(shù)學(xué)模型;再次，設(shè)計(jì)針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾濾波 器;最后，設(shè)計(jì)最優(yōu)控制器，進(jìn)行反饋控制。
[0006] 具體實(shí)施步驟如下：
[0007] (1)建立含有多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型：
[0008] 龍的=拍友的+ iV防掛+琢(0 + ?/(?) +本·(〇]
[0009] y(t) =Hx(t)+v(t)
[0010] 其中，x(t)為含有多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)變量，y(t) 為含有多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型的輸出變量，系數(shù)矩陣

,
.，H= [13X3化X3]，ω〇為軌道角速度，無拖曳衛(wèi)星的標(biāo)稱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J〇 = diag{J〇x, J〇y，J〇z}，U(t)為無拖曳衛(wèi)星所受到的控制力矩，d(t)為無拖曳衛(wèi)星所受到的外部環(huán)境干擾 力矩，dj(t)為慣量不確定性帶來的等價(jià)干擾，w(t)和v(t)分別表示無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)噪聲和量測噪聲；
[0011] (2)建立外部環(huán)境干擾力矩的數(shù)學(xué)模型：
[0012]
[0013] 其中，iKt)為外部環(huán)境干擾力矩的數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)變量，P和Q為系數(shù)矩陣，ξα)為 模型不確定性項(xiàng)；
[0014] (3)建立增廣的含有多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型：
[0017] (4)設(shè)計(jì)針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾濾波器：
[001 引
[0019] 其中，著於為雖)的估計(jì)值，卽)為挪)的估計(jì)值，Κ為針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的 抗干擾濾波器的增益矩陣；
[0020] (5)設(shè)計(jì)最優(yōu)控制器，進(jìn)行反饋控制：
[0021 ] η(?) = Lx{i)-(Jy/{l)
[0022]其中，L為最優(yōu)控制器的增益矩陣，Q為干擾狀態(tài)空間模型的系數(shù)矩陣，鮮?)為含有 多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型狀態(tài)變量X(t)的估計(jì)值，抑為外部環(huán)境干擾 力矩的數(shù)學(xué)模型狀態(tài)變量Φ(υ的估計(jì)值。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0024] (1)本發(fā)明充分考慮了無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道含有的大氣阻力力矩、太陽光壓力矩、 重力梯度力矩、慣量不確定性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)噪聲、量測噪聲W及模型不確定性項(xiàng)等多源干擾， 建立了含有多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型;克服了現(xiàn)有模型未充分考慮多源 干擾的局限性；
[0025] (2)本發(fā)明設(shè)計(jì)了針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾濾波器和最優(yōu)控制器，可W 有效補(bǔ)償來自大氣阻力力矩、太陽光壓力矩、重力梯度力矩的外部的環(huán)境干擾力矩W及抑 制來自慣量不確定性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)噪聲、量測噪聲W及模型不確定性項(xiàng)的內(nèi)部干擾;克服了現(xiàn) 有方法未充分考慮多源干擾、保守性較大的問題，提高系統(tǒng)的整體性能。
【附圖說明】
[0026] 圖1為針對無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的抗干擾姿態(tài)濾波方法的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下：
[0029] (1)建立含有多源干擾的無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的數(shù)學(xué)模型：
[0030] 無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的控制目標(biāo)是使無拖曳衛(wèi)星的本體坐標(biāo)系跟蹤軌道坐標(biāo)系， 基于此無拖曳衛(wèi)星姿態(tài)通道的動(dòng)力學(xué)方程可W表示為：
[0031] J{t)(b{t) = -j{t)(〇{t) - (〇{tY J{t)〇AT) + u{t) + d{t)
[0032] 其中，J(t)為無拖曳衛(wèi)星的時(shí)變慣量矩陣，w(t) = [wsc]se為無拖曳衛(wèi)星絕對角 速度在無拖曳衛(wèi)星的本體坐標(biāo)系下的表示
狗、目ο、Φο分別是無拖曳衛(wèi) 星的本體坐標(biāo)系相對于軌道坐標(biāo)系的歐拉角，ω〇為軌道