[发明专利]一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，充分利用了无拖曳卫星姿态通道不同干扰的特性，可对多源干扰进行同时抑制与补偿，可用于低轨卫星的抗干扰姿态控制。

背景技术

无拖曳卫星目前被广泛应用于地球重力梯度场的测量中，高精度的地球重力梯度场模型可满足地震监测、测绘保障、海洋气象以及资源勘探等的迫切需求，极大地促进我国灾害预防和经济社会的发展。然而，为了满足无拖曳卫星的测量需求，卫星的姿态控制必须使卫星本体系高精度地跟踪轨道坐标系。但是，低轨运行的无拖曳卫星不可避免的受到多通道、多来源的干扰，如包含大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩，执行机构噪声，惯量不确定性以及未建模动态。因此，要实现高精度的姿态控制，必须设计具备抗干扰能力的控制器。

对于无拖曳卫星的高精度姿态控制问题，很多学者也提出了不同的抗干扰控制方法，从干扰角度讲，这些方法没有充分考虑无拖曳卫星所受到的多源干扰的影响，例如，没有考虑转动惯量不确定性以及未建模动态的影响。从控制方法的角度讲，常见的传统姿态控制算法主要为滑模控制、LQG控制以及H_∞控制。滑模控制具备鲁棒性强、相应快等优势，然而滑模控制依赖于干扰的范数上界，保守性较大，而且滑模控制带来的抖振现象不利于实际工程的应用。LQG控制以及H_∞控制均是典型的干扰抑制方法，都把干扰当作单一的等价变量，没有充分利用干扰特性。基于干扰观测器的控制(DOBC)可以实现对干扰的估计及补偿，可以提升系统的鲁棒性及控制精度。而H_∞控制可以对范数有界干扰进行抑制，H₂控制能够优化高斯白噪声。因此，要设计理想的抗干扰控制器，必须充分利用无拖曳卫星所受干扰的固有特性，对不同类型的干扰采取不同的控制方法，借助复合控制方式提升系统的抗干扰性以及控制精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有的针对无拖曳卫星的姿态控制算法只能针对单一类型干扰、控制精度不高的问题，提出一种同时具备干扰补偿与干扰抑制能力的抗干扰控制器，其中，DOBC对环境干扰进行估计并补偿，H_∞/H₂控制可以抑制范数有界干扰，并对高斯白噪声进行优化。

本发明的技术解决方案为：一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，其特征主要包括以下步骤：首先，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H_∞/H₂控制对范数有界干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒H_∞/H₂控制进行复合，构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵。

具体步骤如下：

(1)对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；

无拖曳卫星在运行过程中，姿态通道受到的多源干扰包括环境干扰力矩、惯量不确定性、执行机构噪声以及未建模动态，此时，无拖曳卫星的多源干扰模型可以描述为系统Σ₁所示：

其中，t表示时间，θ为卫星的滚动角、俯仰角、偏航角组成的列向量，为滚动角速率、俯仰角速率以及偏航角速率组成的列向量；无拖曳卫星的标称转动惯量矩阵J₀＝diag{J_0x,J_0y,J_0z}，其中，J_0x、J_0y、J_0z分别为卫星滚动轴、俯仰轴以及偏航轴的转动惯量，系数矩阵0_3×3表示3行3列的零矩阵，I_3×3表示3维的单位矩阵，ω₀为轨道角速度，u(t)为无拖曳卫星所受到的控制力矩，w(t)为执行机构噪声，可以表征为高斯白噪声，d₀(t)为包括大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩，d₁(t)为惯量不确定性以及未建模动态带来的等价干扰，可以表征为范数有界干扰的形式；输出变量y(t)＝x(t)表示系统的全部状态可测；f(x,t)为已知的重力梯度力矩，其满足Lipschitz条件，即对任意的两个系统状态x₁(t)，x₂(t)，存在已知的矩阵U使得下列不等式成立：