[发明专利]一种航天器分布式载荷位姿三超控制方法

说明书

本发明一种航天器分布式载荷位姿三超控制方法，适用于对两个载荷间相对姿态具有超高精度、超高稳定度和超高敏捷度的大型卫星平台。与传统的PID控制算法不同，本发明结合滑模控制在滑模面上的鲁棒性特点和自适应控制能够在线估计参数的特点，提出了一种星体姿态‑载荷相对姿态两级复合控制方法，其中载荷相对姿态控制器用于对载荷相对姿态的精细控制，本体姿态控制器用于实现姿态快速机动和抑制低频振动，实现对载荷相对姿态的超精超稳超敏捷(三超)控制。多级协同控制思路为：1)采用前馈+反馈控制器实现载荷相对姿态的高精度指向控制，并通过载荷惯量给出控制器参数设计方法；2)针对航天器本体设计考虑带宽约束的鲁棒自适应控制器，通过参数设计方法保证航天器本体控制器能有效与载荷控制器相匹配，实现两级复合控制。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种航天器分布式载荷位姿三超控制方法。

背景技术

随着天文观测、在轨服务需求不断提升，当代大型卫星平台的设计思想和实践发生革命性变化，卫星的控制系统复杂度不断提高，同时卫星有效载荷的姿态精度和稳定度需求也朝着个性化、精细化发展，成像卫星通常带有两个光学载荷，为实现成像，需要两载荷间相对姿态具有极高的精度和稳定度，因此有必要针对一类大型卫星平台开展新型具有“超精、超稳、超敏捷”性能的载荷相对姿态控制方法研究，以满足成像卫星的控制需求。

目前传统的航天器控制系统中，星体和载荷之间往往是刚性连接，星体中的各高、低频微振动直接传递到载荷，影响光学载荷成像品质。而星体的姿态控制带宽受控制器步长和挠性附件频率的限制，无法实现对高频抖动的实时补偿。针对这一问题国内外学者研究了一类基于航天器本体-载荷两级复合控制的三超控制方法，由于控制结构比较复杂，往往在两级控制回路中均采用PID控制实现，但仍存在以下不足：

单纯的PID控制算法只能实现系统的渐进稳定，无法保证状态量收敛的快速性；加入前馈控制后可以提高姿态跟踪误差收敛的速度，但会额外激起柔性附件的振动，需要在主动指向超静平台的控制中进一步对该部分振动进行反馈控制，增加额外的能量消耗。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种航天器分布式载荷位姿三超控制方法，该方法通用性强，可针对一类考虑航天器本体柔性、带有两个载荷、任意数量柔性附件、CMG的大型卫星平台，所提出的控制方法能够在考虑航天器受到高低频结构振动、未知扰动的情况下，实现对载荷期望姿态的快速跟踪，同时对柔性附件产生的低频扰动的实时估计与补偿，实现了对低频微振动的抑制；解决了传统滑模控制中原点附近带宽无限增大的问题，使得本体姿态控制器能够有效与载荷相对姿态控制器相匹配，实现对载荷相对姿态的三超控制。

本发明的技术解决方案是：一种航天器分布式载荷位姿三超控制方法，步骤如下：

(1)建立航天器系统动力学方程，包括：载荷1的动力学方程、CMG的动力学方程、航天器本体的动力学方程、柔性附件的振动方程；

(2)设计载荷1相对姿态误差的滑模面；

(3)设计航天器本体的姿态误差滑模面；

(4)根据步骤(1)建立的航天器系统动力学方程，包括：载荷1的动力学方程、CMG的动力学方程、航天器本体的动力学方程、柔性附件的振动方程、步骤(2)设计的载荷1相对姿态误差的滑模面、步骤(3)设计的航天器本体的姿态误差滑模面，确定载荷1的相对姿态控制器的阻尼比，载荷1的相对姿态控制器的最大控制带宽，以及航天器本体姿态控制器的阻尼比，航天器本体姿态控制器的最大控制带宽，实现航天器分布式载荷位姿三超控制。

优选的，航天器，包括：航天器本体、两个载荷、柔性附件、控制力矩陀螺(CMG)、主动指向超静平台、隔振平台；两个载荷，分别为：载荷1和载荷2；