[发明专利]基于饱和反步法的航天器分布式姿态超敏捷机动控制方法

说明书

本发明涉及一种基于饱和反步法的航天器分布式姿态超敏捷机动控制方法，属于卫星姿态控制技术领域。本发明航天器超敏捷机动控制器的设计结合了饱和控制和反步法控制，对虚拟输入函数引入多级饱和，并具有五大效益：带饱和约束的超敏捷机动、分段时间可控、减轻姿态控制执行机构负担、分布式姿态机动控制以及模型独立。本发明首次针对反步法引入饱和约束，设计航天器姿态超敏捷机动控制律，实现姿态角速度10‑15deg/s的超敏捷机动以及分布式姿态控制，有效地解决了加速阶段和减速阶段的相互制约问题，限制了最大控制力矩和最大姿态角速度，减轻了姿态控制执行机构的负担，同时适用于转动惯量未知的航天器。

技术领域

本发明涉及一种基于饱和反步法的航天器分布式姿态超敏捷机动控制方法，属于卫星姿态控制技术领域。

背景技术

由于航天器的快速机动性能够使其更好地完成任务，航天器敏捷机动仍为研究热点。传统的航天器敏捷机动的最大姿态角速度约为5deg/s，现已有大量的研究成果，但最大姿态角速度超过10deg/s的航天器超敏捷机动的研究仍为空白，尤其是考虑了减轻姿态控制执行机构负担的航天器超敏捷机动控制方法。

目前，与航天器快速机动相关的研究仍然局限于普通的敏捷机动控制,包括PD/PID(比例-微分/比例-积分-微分)控制，基于路径规划的控制方法，优化控制算法，滑模变结构控制方法，递阶饱和控制和基于势函数的控制方法等。

PD/PID控制是一种被广泛应用的控制方法，其设计过程简单，但性能较差。北京控制工程研究所设计了一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，适用于空天目标敏捷跟踪，但该控制器基于PID(比例-积分-微分)控制，只能实现最大姿态角速度为6deg/s的敏捷机动(申请号：CN108646775A)。哈尔滨工业大学设计了一种轮控小卫星大角度机动递阶饱和控制器，该控制器将PD(比例-微分)姿态控制器改进为饱和PD姿态控制器，能够对最大控制力矩和最大姿态角速度进行限制(张美华,张丙文.轮控小卫星姿态大角度机动递阶饱和控制器设计[J].上海航天,2005(03):15-18.)。基于姿态解耦的PD敏捷机动控制方法将航天器的姿态运动问题解耦为三轴独立的设计问题，能满足某些具有特殊要求大角度机动控制(唐生勇.卫星自主避险姿态快速机动与高精度稳定控制[A].中国指挥控制学会空天安全平行系统专业委员会.空天资源的可持续发展——第一届中国空天安全会议论文集[C].中国指挥控制学会空天安全平行系统专业委员会:2015:5)。

基于路径规划或优化控制的敏捷机动控制方法能够针对具体的性能进行优化，但对计算资源要求较高。上海航天技术研究所设计了一种基于路径规划的敏捷机动控制方法，能够适应卫星控制系统的响应局限性，但需要大量的在线计算(周伟敏,祖立业,朱庆华.一种基于大力矩飞轮的敏捷卫星路径规划的姿态机动控制方法[J].空间控制技术与应用,2014,40(02):37-41+46)。北京控制工程研究所设计了一种敏捷机动优化控制方法，针对该最优路径进行姿态机动，但同样需要进行路径规划(冯佳佳.一种卫星快速姿态机动及稳定控制方法[J].中国空间科学技术,2017,37(04):34-40)。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所设计了一种挠性敏捷卫星姿态机动滚动优化方法，能够实现卫星姿态机动，但并未考虑超敏捷机动及减轻执行机构的负担(申请号：CN104090489A)。

基于滑模变结构控制的快速机动控制性能较好，但存在振颤问题。上海新跃仪表厂设计了一种卫星快速姿态机动的饱和滑模变结构控制方法，该控制器能限制最大控制力矩，但并未实现最大姿态角速度超过10deg/s的超敏捷机动(申请号：CN103708044A)。