[发明专利]一种基于特征模型的航天器无拖曳控制方法

说明书

本发明提供了一种基于特征模型的航天器无拖曳控制方法，该方法在每个控制周期，接收加速度计反馈的残余加速度测量值；考虑被控航天器、推力器与加速度计的动力学特征，基于从推力器指令输入至加速度计测量输出的特征模型，根据黄金分割自适应控制律、逻辑积分控制律和逻辑双重积分控制律，分别计算当前控制周期的黄金分割自适应控制分量、逻辑积分控制分量、逻辑双重积分控制分量；将当前控制周期的黄金分割自适应控制分量、逻辑积分控制分量和逻辑双重积分控制分量合成，得到推力器控制指令，并将其发送至推力器。本发明方法充分考虑了空间环境特征，使航天器的非引力加速度抑制精度优于传统的积分控制方法和嵌入式模型控制方法。

技术领域

本发明涉及一种航天器无拖曳控制方法，具体涉及一种基于特征模型的航天器无拖曳控制方法，属于航天器无拖曳控制技术领域。

背景技术

无拖曳航天器内部至少包含一颗测试质量，封闭的空腔使测试质量不受大气阻力、太阳光压力等外界环境的干扰。无拖曳控制系统由悬浮在航天器空腔中的测试质量、检测测试质量和航天器之间相对位移的敏感器、高精度成比例的推力器和无拖曳控制器构成。无拖曳控制是指抵消作用在航天器上的非引力和所有力矩，使航天器仅在引力的作用下自由运动。实现航天器无拖曳飞行的一种方案是让航天器跟踪测试质量，即位移模式。另一种方案是让测试质量跟踪航天器，测试质量是主动受控的且与航天器之间构成一台静电悬浮加速度计，即加速度计模式。不同于位移模式，加速度计模式中的航天器与检验质量更像一台太空加速度计，作用在卫星上的残余非引力加速度被测量出来，然后将其反馈给无拖曳控制器实现阻力抵消。

太空中一些基础物理实验，如已发射了的GP-B卫星、GOCE卫星，以及将来的LISA计划和天琴计划等，要求航天器具有纯引力轨道。工程实际中航天器的轨道受到大气阻力、太阳光压力等的干扰。航天器无拖曳控制的优点是抵消这些非引力达到某种可以接受的水平为载荷提供比较宁静的工作环境，尤其是在测量频带要求具有非常高的控制精度。

目前，在航天器无拖曳控制领域中以2008年发表在Automatica杂志(Vol.44,No.7,2008,p1766–1780)上的论文“Drag-free control and attitude control for theGOCE satellite”中提供的嵌入式模型控制方法最著名，这是因为该方法在欧洲GOCE卫星上得以成功应用，并取得了满意的控制效果。但嵌入式模型控制方法的理论体系非常复杂，其实际工程应用要求设计者对相关理论具有深入的理解，工程实现比较困难。且嵌入式模型控制不具备自适应性，其问题在于模型截断，无拖曳航天器从推力器至梯度计的嵌入式模型是一阶的，前进方向上大气阻力的嵌入式模型是二阶的，这种降阶模型舍去了高阶模型的信息，必然牺牲闭环控制系统精度。此外，在对付工作在加速度计模式下的航天器无拖曳控制问题时，2003年发表在Advances in Space Research杂志(Vol.32,No.7,2003,p1221–1226)上的论文“Drag-free control for fundamental physics missions”指出从推力器输入指令至梯度计输出之间的传递函数可近似处理为常数，那么无拖曳控制可以采用最简单的积分控制。尽管积分控制器结构简单，能够使闭环控制系统稳定，但是它对于中频带的大气阻力抑制效果差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于特征模型的航天器无拖曳控制方法，使航天器的非引力加速度抑制精度得到提高。

本发明的技术方案是：一种基于特征模型的航天器无拖曳控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)、考虑航天器无拖曳控制系统中被控航天器、推力器与加速度计的动力学特征，定义从推力器指令输入至加速度计测量输出的特征模型形式为：

y(k+1)＝f₁(k)y(k)+f₂(k)y(k-1)+g₀(k)u(k)