[发明专利]一种考虑飞轮不确定性的航天器姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种考虑飞轮不确定性的航天器姿态控制方法，包括以下步骤：考虑追踪航天器的姿态控制机构飞轮存在不确定性的情况下，建立追踪航天器与自由翻滚失效航天器之间的姿态跟踪动力学模型；设计非奇异固定时间抗退绕滑模面；构建追踪航天器的自适应容错滑模姿态跟踪控制器，并且给出该控制器可处理的飞轮安装偏差角范围。本发明的控制方法具有响应时间快，控制器鲁棒性强，节省能量等特性，适合应用于存在飞轮不确定性(安装偏差和故障)的追踪航天器完成对自由翻滚失效航天器观测的姿态跟踪控制任务。

技术领域

本发明涉及一种考虑飞轮不确定性的航天器姿态控制方法，主要应用于出现飞轮安装偏差和故障时，追踪航天器对自由翻滚失效航天器完成姿态跟踪控制，属于航天器姿态控制技术领域。

背景技术

全世界对于外太空的探索一直在不断深入，这大大推动了人类航天事业的快速发展。《中国制造2025》一文中明确提出瞄准提升航天装备和技术水平，并将其列为需要突破发展的重点领域。鉴于前期空间探测以及通讯，气象预报等任务，太空中出现了大量的失效航天器。现各国急需对已发射航天器尤其是失控目标航天器进行观测和维护，即需要追踪航天器跟踪上翻滚自由翻滚失效航天器的姿态以完成上述任务。同时考虑到实际操作中，追踪航天器用来提供姿态控制力矩的飞轮装置会出现安装偏差和故障，如何设计容许飞轮不确定性(安装偏差和故障)的姿态控制器是十分实际的问题。此外，实现以较短的姿态旋转路径以及在有限时间内完成姿态跟踪等目标给追踪航天器姿态跟踪控制器设计提出了更高的需求。因此，如何构建考虑飞轮不确定情境下的航天器姿态跟踪控制，是实现追踪航天器对于自由翻滚失效航天器完成观测任务的一项核心技术。

针对存在飞轮不确定性的航天器姿态跟踪问题，专利CN 106774280 A通过周期性采集搭载飞轮的运行数据，对于出现异常数据的故障飞轮进行隔离操作。然而此方法需要实时地对飞轮运行数据进行判断，占用了航天器的有限的操作内存，并且不能在故障和安装偏差同时出现时提供有效的控制策略。专利CN 107272639 A通过构建非线性故障检测观测器和自适应非线性故障估计观测器对飞轮未知效率损伤因子实现精确估计，进而设计自适应滑模容错控制策略。然而此方法只能处理飞轮的有效因子损失故障，忽略了飞轮实际存在的漂移输出力矩故障。该方法也无法保证飞轮不确定性(安装偏差和故障)条件下，航天器姿态跟踪任务按照较短的旋转路径在有限时间内完成。

针对目前的飞轮不确定性的航天器姿态跟踪问题研究成果，可以得出当前已有成果主要包括三个方面的问题：(1)考虑飞轮不确定性的航天器姿态跟踪动力学模型中，尤其在涉及飞轮安装偏差角部分的处理中，大部分采用安装偏差小角度近似化操作，违背了实际操作中可能出现较大飞轮安装偏差的工况；(2)现有的容错滑模控制器无法明确给出其可处理的各个飞轮的所有安装偏差角范围，(3)已有的控制策略及滑模面设计无法实现航天器有限时间抗退绕姿态跟踪控制操作，容易出现航天器消耗能量大以及收敛时间长等不足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：由于追踪航天器在跟踪自由翻滚失效航天器姿态过程中，追踪航天器的飞轮不可避免存在安装偏差甚至故障。因此为了实现此类飞轮不确定条件下的追踪航天器姿态跟踪控制,本发明提供一种考虑飞轮不确定性的航天器姿态控制方法，它是一种可以实现处理航天器飞轮安装偏差及故障的自适应容错滑模姿态跟踪控制策略；构建的新型非奇异固定时间抗退绕滑模面可以实现滑模面的滑动时间为不依赖于误差变量的固定变量，并且可以实现较短路径的姿态旋转即具有抗退绕属性；此外该控制策略实现有限时间姿态跟踪任务，且无需额外的飞轮故障诊断机制，并可以明确给出该控制器可处理的各个飞轮的安装偏差角范围，从而为实际工程应用提供了较高的价值。

根据本发明的一方面，提供了一种考虑飞轮不确定性的航天器姿态控制方法，包括以下步骤：

S1：考虑追踪航天器的姿态控制机构飞轮存在不确定性的情况下，建立追踪航天器与自由翻滚失效航天器之间的姿态跟踪动力学模型；

S2：基于步骤S1建立的姿态跟踪动力学模型，利用运动状态变量，设计非奇异固定时间抗退绕滑模面；