[发明专利]分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，方法包括建立仅有部分跟随者航天器可以与领航者航天器进行通信的通信拓扑结构，设计分布式有限时间观测器，实现了跟随者航天器对领航者信息进行观测，并采用快速非奇异终端滑模控制变量使跟随者航天器对领航者航天器进行快速协同和跟踪。本发明提供的方法具有协同时间短、控制精度高的特点。

技术领域

本发明涉及多航天器编队飞行技术领域，具体涉及一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法。

背景技术

随着航天任务多样化，由单个航天器独自完成任务的传统工作模式已经难以满足合成孔径成像、太空探测、卫星捕捉、空基干涉测量、远程通信等实际航天任务的需求。在此背景下，多航天器编队飞行研究得到迅速发展，姿态协同作为航天器编队飞行基础技术，成为近年来研究的热点之一。

编队航天器个体之间通过信息传递进行姿态协同控制，从而实现特定的航天任务。多个小型航天器编队解决了传统单个大型航天器所受有效载荷体积和质量等物理性能方面的约束，提高了整体系统的可重构性和鲁棒性。

由于编队航天器特殊的运行环境，航天器之间的通信会受到环境的制约，领航者信息可能无法把参考信息传递给每一个跟随者，且考虑到节约通信资源，需采用仅有部分跟随者可获得领航者参考信息的通信拓扑。与此同时，航天器会受到重力梯度、太阳光压、太阳辐射等引起的未知干扰力矩，并且由于燃料消耗、液体晃动及太阳能帆板转动的影响，导致航天器的转动惯量是时刻变化的且变化程度未知。基于上述情况，目前迫切需要一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，能够同时考虑通信资源、快速收敛性、外界干扰和惯量不确定性对航天器控制性能的影响，增加姿态协同系统的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的：提供一种同时考虑通信资源、快速收敛性、外界干扰和惯量不确定性的分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法。

技术方案：本发明提供的一种分布式航天器编队自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤A、针对包含n个跟随者航天器和1个领航者航天器的航天器编队系统，在各个航天器的本体坐标系下，建立各个航天器j的姿态运动学方程和动力学方程；j＝0,1,2……n，其中，j＝0时表示领航者航天器，j＝1,2……n时表示跟随航天器；

步骤B、基于领航者航天器的姿态运动学方程和动力学方程，根据领航者航天器的角速度，获取领航者航天器的角加速度、姿态；

步骤C、根据航天器编队系统中各个航天器之间的通信状态构建航天器编队系统的通信拓扑结构，将所述通信拓扑结构以邻接矩阵元素a_ij表示；若航天器i可以接收到航天器j的信息，a_ij＞0；否则a_ij＝0；其中，i＝1,2……n，i≠j；

步骤D、基于有限时间原理和一致性算法，设计分布式有限时间观测器；

步骤E、根据领航者航天器的角速度、角加速度、姿态、航天器编队系统的通信拓扑结构，以及分布式有限时间观测器，获取航天器编队系统中各个跟随者航天器对领航者航天器角速度的估计和姿态的估计；

步骤F、将各个航天器对领航者航天器角速度的估计和姿态的估计输入设定的估计误差系统，获取各个跟随者航天器的角速度跟踪误差估计值、姿态跟踪误差估计值；所述估计误差系统为各跟随者航天器的姿态跟踪误差估计方程和角速度跟踪误差估计方程；

步骤G、分别针对航天器编队系统中的各个跟随者航天器i，执行如下步骤G1至步骤G4：