[发明专利]基于状态依赖分解的航天器在线最优姿态规避控制方法

说明书

本发明公开一种基于状态依赖分解的航天器在线最优姿态规避控制方法，包括步骤：对基于四元数描述的航天器运动学与动力学进行状态依赖分解；建立多个姿态指向约束模型，构建多约束下路径‑能耗综合最优的航天器姿态控制问题；设计新型约束权值矩阵，将构建的多约束下路径‑能耗综合最优的航天器姿态控制问题转化为增广能耗‑路径‑约束最优的航天器姿态控制问题；通过实时求解状态里卡提方程，获得转化后的增广能耗‑路径‑约束最优的航天器姿态控制问题的最优解。本方法避免了控制器在线重构，在保证路径‑能耗性能综合优化的同时，实现了实时姿态规避任务，增强了系统的鲁棒性，降低了对星载计算资源的要求，适用于带约束的航天器姿态控制问题。

技术领域

本发明属于航天器控制技术领域，特别涉及一种基于状态依赖分解的航天器在线最优姿态规避控制方法，主要应用于考虑受多个姿态指向约束的航天器实时最优姿态规避问题。

背景技术

太空任务的多样化和复杂化对航天器姿态控制提出了越来越多的要求。一方面，搭载红外望远镜或红外干涉仪等科学设备的航天器需在姿态机动过程中避免阳光直射；另一方面，航天器在轨时仅能携带有限燃料以及有限星载计算资源，因此如何设计考虑路径-能耗综合最优的在线实时姿态规避控制器是十分实际且迫切的工程问题。

针对目前的最优姿态规避控制问题，中国专利CN201811310228.5中考虑了航天器姿态机动过程中存在多个指向约束的情况，建立旋转路径质量评价指标，利用已有优化算法获得最优姿态规避控制器以及姿态路径，但该方法未考虑能耗优化指标，且需离线求解，因此鲁棒性较差。中国专利CN201810256059.5中考虑了指向约束、控制能耗等多个工程约束，建立任务收益-控制能耗性能优化指标，基于BOADP实现航天器姿态控制系统在轨重构，但该方法未考虑路径优化，且计算量大，在线求解会占用较多星载计算资源。

针对目前的最优姿态规避控制问题研究成果，可以得出已有成果主要包括以下两个方面的问题：第一，现有的姿态规避控制策略的设计未兼顾路径-能耗综合性能最优；第二，已有的优化求解策略需离线或占用较多计算资源在线求解。

发明内容

为了解决由于在轨航天器姿态机动过程中存在指向约束，且仅携带有限能源和星载计算资源的技术问题，本发明提供一种基于状态依赖分解的航天器在线最优姿态规避控制方法，其是一种考虑路径-能耗综合最优的在线实时航天器姿态规避控制方法。本发明提出的航天器动力学状态依赖分解形式覆盖了整个可控空间，避免了控制器在线重构，为实现实时在线求解提供便利；另外，本发明设计的新型约束权值矩阵仅在姿态接近指向约束时激活，使得航天器实现姿态规避的同时，保证路径-能耗综合优化。

本发明提供了一种基于状态依赖分解的航天器在线最优姿态规避控制方法，包括如下步骤：

S1：对基于四元数描述的航天器运动学与动力学进行状态依赖分解；

S2：建立多个姿态指向约束模型，考虑步骤S1中状态依赖分解后的航天器运动学与动力学，构建多约束下路径-能耗综合最优的航天器姿态控制问题；

S3：设计新型约束权值矩阵，将步骤S2中构建的多约束下路径-能耗综合最优的航天器姿态控制问题转化为增广能耗-路径-约束最优的航天器姿态控制问题；

S4：通过实时求解状态里卡提方程，获得步骤S3中转化的增广能耗-路径-约束最优的航天器姿态控制问题的最优解，从而实现在线实时航天器姿态规避控制任务。

进一步，步骤S1具体过程如下：

建立基于四元数描述的航天器运动学与动力学为：