微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微小衛(wèi)星對(duì)地凝視跟蹤姿態(tài)控制方法，步驟包括：建立微小衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤動(dòng)力學(xué)模型；構(gòu)造合適的Lyapunov泛函，利用附加矩陣的方法處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和模型，設(shè)計(jì)反饋控制器，計(jì)算吸引域的估計(jì)范圍，解決衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤過程中的狀態(tài)時(shí)間滯后與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩飽和的問題，確保航天器凝視跟蹤過程中的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性，完成對(duì)地凝視或空間目標(biāo)偵察任務(wù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，解決了系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取、處理帶來的時(shí)延對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)的影響及具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和非線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)問題，以較小的保守性完成吸引域的估計(jì)，可應(yīng)用于其他具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和與狀態(tài)時(shí)間滯后系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)及吸引域的估計(jì)。
【專利說明】微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及微小衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制技術(shù)，屬于航天器控制領(lǐng)域，具體涉及一種微 小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 微小衛(wèi)星以其快速靈活適應(yīng)任務(wù)的能力、低成本快速進(jìn)入空間的特點(diǎn)及在分布式 應(yīng)用中所表現(xiàn)出的強(qiáng)生存性、優(yōu)越的時(shí)間和空間覆蓋特性等優(yōu)勢(shì)，日漸成為各種航天裝備 和空間應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分。利用微小衛(wèi)星控制姿態(tài)相對(duì)容易、響應(yīng)快速，將觀測(cè)相機(jī) 在微小衛(wèi)星上固定安裝，借助衛(wèi)星姿態(tài)控制實(shí)現(xiàn)相機(jī)觀測(cè)軸對(duì)地凝視，可以遂行國(guó)土普查、 海洋普查、自然災(zāi)害預(yù)報(bào)、農(nóng)作物普查、氣象預(yù)報(bào)等多種任務(wù)，還能遂行重要戰(zhàn)略目標(biāo)監(jiān)視、 戰(zhàn)略導(dǎo)彈預(yù)警、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、航母艦隊(duì)及核潛艇跟蹤等軍事偵察任務(wù)。
[0004] 衛(wèi)星姿態(tài)控制中采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般有三種，包括推力器、飛輪和控制力矩陀螺， 上述三者各有優(yōu)缺點(diǎn)。推力器控制力矩大，抗干擾能力強(qiáng)，但難以輸出小力矩，控制精度差， 控制穩(wěn)定度較低，不適用于衛(wèi)星跟蹤姿態(tài)控制。飛輪和控制力矩陀螺輸出力矩連續(xù)，控制 精度高，都可用于姿態(tài)跟蹤控制。其中，控制力矩陀螺的輸出力矩更大，但控制力矩陀螺的 單機(jī)質(zhì)量大。相對(duì)比而言，微型飛輪的質(zhì)量相對(duì)較輕，但其輸出力矩角小。兩者執(zhí)行機(jī)構(gòu)都 存在飽和問題，其中飛輪的轉(zhuǎn)速飽和及控制力矩陀螺的框架共面等飽和問題可通過卸載解 決，但它們的力矩問題造成的系統(tǒng)非線性，傳統(tǒng)控制方法卻難以解決。姿態(tài)跟蹤過程中的狀 態(tài)量很多是通過相機(jī)等成像設(shè)備所得圖像的處理獲得的。由于相機(jī)曝光、圖像處理、總線傳 輸?shù)仍?，往往?dǎo)致控制系統(tǒng)的時(shí)延問題，使得指令控制和衛(wèi)星狀態(tài)之間存在時(shí)滯現(xiàn)象，影 響姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)控制品質(zhì)。
[0005] 本發(fā)明基于微小衛(wèi)星空間應(yīng)用需求，結(jié)合姿態(tài)跟蹤過程中控制系統(tǒng)中的兩方面約 束條件提出。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決微小衛(wèi)星對(duì)地凝視中執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩飽和，以及單機(jī)響應(yīng)、數(shù)據(jù)處理 等引起的系統(tǒng)時(shí)間滯后問題。針對(duì)微小衛(wèi)星對(duì)地凝視成像姿態(tài)機(jī)動(dòng)需求，采用附加矩陣的 方法處理系統(tǒng)中飽和項(xiàng)，利用保守性較小的自由權(quán)矩陣與引入調(diào)節(jié)因子的思想處理系統(tǒng)中 的時(shí)滯項(xiàng)，提出了保守性更低的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)及吸引域的估計(jì)條件設(shè)定的方法。
[0007] 為達(dá)到上述
【發(fā)明內(nèi)容】
，本發(fā)明的微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法是通過以 下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括如下步驟： 1) 建立微小衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤動(dòng)力學(xué)模型； 2) 構(gòu)造合適的Lyapunov泛函，利用附加矩陣的方法處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和模型； 3) 設(shè)計(jì)反饋控制器； 4)計(jì)算吸引域的估計(jì)范圍。
[0008] 進(jìn)一步，所述步驟1)中，根據(jù)微小衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤動(dòng)力學(xué)模型及執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩飽和 限幅，構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)方程：

【權(quán)利要求】
1. 一種微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 建立微小衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤動(dòng)力學(xué)模型； 2) 構(gòu)造合適的Lyapunov泛函，利用附加矩陣的方法處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和模型； 3) 設(shè)計(jì)反饋控制器； 4) 計(jì)算吸引域的估計(jì)范圍。
2. 如權(quán)利要求1所述的微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法，其特征在于，所述步 驟1)中，根據(jù)微小衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤動(dòng)力學(xué)模型及執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩飽和限幅，構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)方 程：
其中e JT為狀態(tài)變量，為時(shí)變時(shí)滯，滿足 0 ()<?(?)<μ, i>0 ； 正標(biāo)量44分別為變時(shí)滯的下限與上限，正標(biāo)量#為時(shí)滯變化率；為具有 合適維數(shù)的系統(tǒng)矩陣，σ?·?:]Τ 是系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)飽和函數(shù)，是狀態(tài)反饋 控制器。
3. 如權(quán)利要求1所述的微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法，其特征在于，所述步 驟2)中，將改進(jìn)的自由權(quán)矩陣方法融入飽和時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)中，在Lyapunov導(dǎo)數(shù)中 加入狀態(tài)項(xiàng)，將飽和時(shí)滯系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題轉(zhuǎn)化成一系列線性矩陣不等式可解性的凸優(yōu)化問 題。
4. 如權(quán)利要求3所述的微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法，其特征在于，所述狀 態(tài)項(xiàng)包括：
式￠1丨在權(quán)矩陣
中引入調(diào)節(jié)矢量因子放松了對(duì)權(quán)矩陣的約束，減 小了對(duì)Lyapunov導(dǎo)數(shù)上界估計(jì)的保守性，擴(kuò)大了吸引域的估計(jì)范圍。
5. 如權(quán)利要求1所述的微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法，其特征在于，所述步 驟3)根據(jù)以下線性矩陣不等式約束方程：
6. 如權(quán)利要求1所述的微小衛(wèi)星對(duì)地凝視抗飽和跟蹤控制方法，其特征在于，所述步 驟4)吸引域的估計(jì)值可以由
得到。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK104252177SQ201310260620
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月27日
【發(fā)明者】顧玥, 侯建文, 吳猛, 張志偉, 劉宇, 譚天樂 申請(qǐng)人:上海新躍儀表廠