一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法

1.本发明属于航天器姿态控制领域，具体涉及一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法。


背景技术：

2.随着航天事业的不断发展，高精度对地观测、目标跟踪、激光建链等空间任务对于航天器姿态跟踪精度有着越来越高的要求。然而航天器在调姿过程中，执行机构飞轮转动使得驱动电机与轴承之间存在摩擦力矩，摩擦力矩所导致的飞轮误差干扰，是航天器姿态调整中的重要干扰，对姿态系统的稳定性以及姿态跟踪精度都会产生负面影响。所以，在执行机构误差干扰下，航天器需要具备良好的抗干扰能力，以保证系统镇定以及姿态跟踪精度。另一方面，随着分级式航天器的陆续试验，各个功能部件之间逐渐由有线信号传输发展为无线信号传输，在这种条件下，航天器姿态系统的控制信号一般通过通信信道传输，并且受限于有限的信道带宽，控制信号需要被量化以降低通信速率同时保证在信道中的正常传输。控制输入量化使得电枢电压信号离散化，对航天器姿态控制系统的稳定性以及姿态跟踪的精确性产生严重影响。因此，航天器姿态控制系统是干扰与输入量化并存的混杂系统，在这种复杂系统下，保证航天器姿态的稳定与高精度跟踪是一项具有挑战性的问题。
3.目前，现有关航天器姿态控制的研究多忽略了执行机构特性对系统的影响，文献《基于漏斗策略的航天器高精度姿态控制器设计》中通过设计扩张状态观测器对外部干扰进行估计，并结合性能漏斗函数设计控制器，对所估计的外部干扰进行补偿，实现指定性能控制。中国专利申请cn201810919239.7考虑了航天器执行机构飞轮的动态特征，设计了干扰观测器对飞轮中的非线性项以及外部干扰进行了估计，并利用复合控制器对干扰进行补偿，虽然取得了良好的结果，但是未能考虑控制输入量化对系统的影响。输入量化在中国专利申请cn202010268045.2的工作中被研究，通过设计有限时间姿态控制器输入控制力矩，直到实际姿态与期望姿态的姿态误差满足控制要求，然而控制器的设计忽略了干扰对系统的影响，使得姿态跟踪很难达到高精度需求。
4.综上所述，虽然现有研究取得了一些结果，但是对于航天器执行机构对系统影响的分析仍然存在不足，而且在干扰与输入量化并存下的这种混杂系统的高精度控制问题研究仍然具有挑战性，因此，亟需突破包含执行机构动态的航天器深耦合建模与输入量化下的抗干扰控制技术。


技术实现要素：

5.针对现有技术未能充分考虑执行机构对航天器姿态控制系统的影响机理，从而难以满足航天器高精度姿态跟踪需求的问题，并为了克服现有技术缺少考虑执行机构动态的航天器姿态深耦合建模，以及干扰与输入量化并存下精细控制的不足，本发明提供一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，充分挖掘执行机构飞轮对航天器姿态控制系统的影响机理，同时实现系统镇定以及姿态的高精度跟踪，满足目标跟踪、星间通讯等空
间任务对姿态精确跟踪控制的需求。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，包括以下步骤：第一步，根据零动量定理描述航天器姿态运动学与动力学，再利用角动量交换定理分离飞轮摩擦干扰，并结合基尔霍夫电压定律建立包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型；第二步，针对飞轮摩擦干扰，设计干扰观测器对其进行估计；第三步，针对输入量化，设计自适应律在线学习量化信号的动态边界；第四步，基于干扰观测器与自适应律构造抗干扰量化控制器，实现航天器姿态的高精度跟踪控制。
7.进一步地，所述第一步包括：(1) 根据零动量定理建立航天器姿态运动学与动力学：，其中，表示航天器的角速度，为航天器的角加速度；为航天器的姿态角，为姿态角变化率；表示执行机构飞轮的角速度，为飞轮的角加速度；和分别表示航天器的转动惯量以及飞轮的转动惯量；为安装结构矩阵；转移矩阵、轨道角速度以及斜对称矩阵分别表示为：，，，其中，，以及分别表示航天器的滚转角、俯仰角以及偏航角；为航天器所在轨道的轨道角速度；，和为的三轴分量，即，表示转置运算；
(2) 根据角动量交换定理得到：，其中，表示电磁力矩系数；表示飞轮旋转产生的摩擦力矩；表示飞轮组的电枢电流矢量，根据基尔霍夫电压定理，电枢电流的动态满足：，其中，表示电枢电感系数矩阵；表示电枢电阻系数矩阵；表示反电势系数矩阵；表示电枢电流的变化率；对于量化器矢量中的第个量化器表示为：，其中，表示电枢电压信号，表示第个飞轮项，表示飞轮的数量；与为量化器参数；为量化密度，为的次方；表示的死区时间；为时间序列；表示条件判断；(3) 根据以上分析，得到包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型为：，其中，表示转移矩阵的逆；表示飞轮摩擦所产生的干扰力矩；定义：，
，可以验证，其中，表示由元素所组成的对角阵；为向量；因此包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型转化为面向控制的航天器姿态控制系统模型：。
8.进一步地，第二步中所设计的干扰观测器为：，其中，表示对干扰的估计；表示观测器中间变量；表示观测器增益。
9.进一步地，第三步中所设计的自适应律为：，其中，表示的估计，表示的倒数，表示元素中的最小值；与分别为修正参数与调节参数；表示的导数，，为虚拟控制信号，表示为：，其中，为待设计参数；为的导数，，为待设计参数，表示期望姿态角的变化率；表示矩阵的逆运算；表示为：，其中，为待设计参数；，
表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示的单位矩阵；为已知项，表示的二阶导数，表示的三阶导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数。
10.进一步地，第四步中所设计的量化控制器为：，其中，为常数。
11.本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明针对现有航天器姿态控制方法未能充分考虑执行机构动态对系统的影响，且对干扰与输入量化并存下处理的不足，本发明根据零动量定理、角动量交换定理与基尔霍夫电压定律，建立了包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型，充分挖掘了飞轮摩擦以及控制电压信号量化对系统的影响，设计干扰观测器对飞轮摩擦导致的飞轮误差干扰进行估计，同时设计自适应律在线学习输入量化信号的动态边界，基于干扰观测器与自适应律构造具有干扰补偿的量化控制器，以实现航天器姿态的高精度跟踪控制，本发明能够提升航天器在飞轮偏差与输入量化下的姿态跟踪精度，可解决目标捕获、星间通讯等空间任务中的航天器高精度对准问题。
附图说明
12.图1为本发明一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法的设计流程图；图2为本发明一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法的控制框图。
具体实施方式
13.下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
14.如图1所示，本发明的一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法包括
如下步骤：第一步，根据零动量定理描述航天器姿态运动学与动力学，再利用角动量交换定理分离飞轮摩擦干扰，并结合基尔霍夫电压定律建立包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型；第二步，针对飞轮摩擦干扰，设计干扰观测器对其进行估计；第三步，针对输入量化，设计自适应律在线学习量化信号的动态边界；第四步，基于干扰观测器与自适应律构造抗干扰量化控制器，实现航天器姿态的高精度跟踪控制。
15.具体地，所述第一步包括：(1) 根据零动量定理建立航天器姿态运动学与动力学：，其中，表示航天器的角速度，为航天器的角加速度；为航天器的姿态角，为姿态角变化率；表示执行机构飞轮的角速度，为飞轮的角加速度；和分别表示航天器的转动惯量以及飞轮的转动惯量；为安装结构矩阵；转移矩阵、轨道角速度以及斜对称矩阵分别表示为：，，，其中，，以及分别表示航天器的滚转角、俯仰角以及偏航角；为航天器所在轨道的轨道角速度；，和为的三轴分量，即，表示转置运算；(2) 根据角动量交换定理得到：
，其中，表示电磁力矩系数；表示飞轮旋转产生的摩擦力矩；表示飞轮组的电枢电流矢量，根据基尔霍夫电压定理，电枢电流的动态满足：，其中，表示电枢电感系数矩阵；表示电枢电阻系数矩阵；表示反电势系数矩阵；表示电枢电流的变化率；对于量化器矢量中的第个量化器表示为：，其中，表示电枢电压信号，表示第个飞轮项，表示飞轮的数量；与为量化器参数；为量化密度，为的次方；表示的死区时间；为时间序列；表示条件判断；(3) 根据以上分析，得到包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型为：，其中，表示转移矩阵的逆；表示飞轮摩擦所产生的干扰力矩；定义：，，
可以验证，其中，表示由元素所组成的对角阵；为向量；因此包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型转化为面向控制的航天器姿态控制系统模型：。
16.进一步地，第二步中所设计的干扰观测器为：，其中，表示对干扰的估计；表示观测器中间变量；表示观测器增益。
17.进一步地，第三步中所设计的自适应律为：，其中，表示的估计，表示的倒数，表示元素中的最小值；与分别为修正参数与调节参数；表示的导数，，为虚拟控制信号，表示为：，其中，为待设计参数；为的导数，，为待设计参数，表示期望姿态角的变化率；表示矩阵的逆运算；表示为：，其中，为待设计参数；，表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示的单位矩
阵；为已知项，表示的二阶导数，表示的三阶导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数。
18.进一步地，第四步中所设计的量化控制器为：，其中，为常数。
19.本发明提出的一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，其控制结构如图2所示。从图2中可以看出，航天器姿态运动学与动力学受到飞轮误差干扰的影响，通过设计干扰观测器对执行机构误差进行估计。而对于控制电压信号量化，设计自适应律在线学习量化信号的动态边界。通过结合干扰观测器与自适应律构造抗干扰量化控制器，给执行机构电压指令驱动飞轮动作，进而调整航天器的姿态。
20.采用本发明方法进行航天器姿态跟踪控制，可以有效补偿飞轮误差对系统的影响，并且对输入量化信号进行有效抑制，能够实现航天器姿态跟踪的高精度控制，并且稳态跟踪误差在零附近的可调范围内，具有高精度、强鲁棒的特点，适用于目标捕获、深空探测、星间通讯等空间任务中的航天器高精度对准问题。
21.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据零动量定理描述航天器姿态运动学与动力学，再利用角动量交换定理分离飞轮摩擦干扰，并结合基尔霍夫电压定律建立包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型；第二步，针对飞轮摩擦干扰，设计干扰观测器对其进行估计；第三步，针对输入量化，设计自适应律在线学习量化信号的动态边界；第四步，基于干扰观测器与自适应律构造抗干扰量化控制器，实现航天器姿态的高精度跟踪控制。2.根据权利要求1所述的一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，其特征在于：所述第一步包括：(1) 根据零动量定理建立航天器姿态运动学与动力学：，其中，表示航天器的角速度，为航天器的角加速度；为航天器的姿态角，为姿态角变化率；表示执行机构飞轮的角速度，为飞轮的角加速度；和分别表示航天器的转动惯量以及飞轮的转动惯量；为安装结构矩阵；转移矩阵、轨道角速度以及斜对称矩阵分别表示为：，，，其中，，以及分别表示航天器的滚转角、俯仰角以及偏航角；为航天器所在轨道的轨道角速度；，和为的三轴分量，即，表示转置运算；(2) 根据角动量交换定理得到：，
其中，表示电磁力矩系数；表示飞轮旋转产生的摩擦力矩；表示飞轮组的电枢电流矢量，根据基尔霍夫电压定理，电枢电流的动态满足：，其中，表示电枢电感系数矩阵；表示电枢电阻系数矩阵；表示反电势系数矩阵；表示电枢电流的变化率；对于量化器矢量中的第个量化器表示为：，其中，表示电枢电压信号，表示第个飞轮项，表示飞轮的数量；与为量化器参数；为量化密度，为的次方；表示的死区时间；为时间序列；表示条件判断；(3) 根据以上分析，得到包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型为：，其中，表示转移矩阵的逆；表示飞轮摩擦所产生的干扰力矩；定义：，，可以验证，其中，表示由
元素所组成的对角阵；为向量；因此包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型转化为面向控制的航天器姿态控制系统模型：。3.根据权利要求2所述的一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，其特征在于：所述第二步中所设计的干扰观测器为：，其中，表示对干扰的估计；表示观测器中间变量；表示观测器增益。4.根据权利要求3所述的一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，其特征在于：所述第三步中所设计的自适应律为：，其中，表示的估计，表示的倒数，表示元素中的最小值；与分别为修正参数与调节参数；表示的导数，，为虚拟控制信号，表示为：，其中，为待设计参数；为的导数，，为待设计参数，表示期望姿态角的变化率；表示矩阵的逆运算；表示为：，其中，为待设计参数；，
表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示的单位矩阵；为已知项，表示的二阶导数，表示的三阶导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数，表示对的偏导数。5.根据权利要求4所述的一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，其特征在于：所述第四步中所设计的量化控制器为：，其中，为常数。

技术总结
本发明涉及一种基于飞轮动态的航天器抗干扰量化姿态控制方法，针对基于飞轮动态的航天器姿态系统与输入量化问题，首先，根据零动量定理描述航天器姿态运动学与动力学，再利用角动量交换定理分离飞轮摩擦干扰，并结合基尔霍夫电压定律建立包含飞轮动态的航天器姿态深耦合模型；其次，针对飞轮摩擦干扰，设计干扰观测器对其进行估计；再次，针对输入量化，设计自适应律在线学习量化信号的动态边界；最后，基于干扰观测器与自适应律构造抗干扰量化控制器，实现航天器姿态的高精度跟踪控制。本发明能够有效解决考虑飞轮动态下的航天器姿态系统输入量化问题，提升航天器的姿态跟踪精度，可用于目标捕获、星间通讯等空间任务中的航天器高精度对准问题。航天器高精度对准问题。航天器高精度对准问题。


技术研发人员：乔建忠 滕昊 杨永健 朱玉凯 郭雷
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/8/5