本發(fā)明屬于航天動力學與控制技術領域，涉及一種納星重構故障衛(wèi)星姿控功能的辨識控制一體化方法。

背景技術：

空間中由于推力器故障或是燃料耗盡而失效的衛(wèi)星處于不受控的自由漂浮狀態(tài)，從而無法繼續(xù)有效地執(zhí)行任務，但其上一些如相機、天線等有效載荷卻仍然可以繼續(xù)工作，如果能重構故障衛(wèi)星指向功能進而實現(xiàn)其上有效載荷再利用的話，將能夠以比較低廉的成本快速獲得一顆能夠在軌正常工作的新衛(wèi)星，從而將太空垃圾轉變?yōu)樾碌馁Y源，與重新發(fā)射一顆新的替代衛(wèi)星相比，這種在軌重構獲得新衛(wèi)星的方式將能夠大大降低空間設備的研發(fā)成本與發(fā)射成本。

納星具有研制成本底，部署靈活，研制周期短的優(yōu)點，通過納星貼附于故障衛(wèi)星表面的方式來幫助故障衛(wèi)星恢復一定程度的姿態(tài)控制能力，能夠實現(xiàn)故障衛(wèi)星的姿態(tài)重定向，以便進一步執(zhí)行后續(xù)的觀測、通信等任務。納星貼附于故障衛(wèi)星表面后，將與故障衛(wèi)星形成組合體。由于故障衛(wèi)星的質量特性參數(shù)信息事先未知，因此納星無法獲得準確的組合體姿態(tài)動力學模型，這使得故障衛(wèi)星姿控功能重構任務無法順利展開。為此，需要通過納星實現(xiàn)對組合體質量特性參數(shù)，即轉動慣量矩陣的辨識，以便獲得準確的組合體姿態(tài)動力學模型，這也是后續(xù)進行組合體姿態(tài)控制的基礎。目前的文獻中，對未知目標質量特性參數(shù)的辨識與運動的控制大多都是分開進行的，即先對未知目標的參數(shù)辨識方法進行研究，再以其動力學模型為基礎，進行控制方法的研究。但是在實際情況下，組合體的質量特性參數(shù)有可能是時變的，這時，辨識控制分開進行的方法就有可能導致對組合體姿態(tài)運動的控制達不到預期的效果，而辨識控制一體化技術能夠根據(jù)實時辨識得到的準確模型來解算控制量，這不僅能夠提高對故障衛(wèi)星的控制精度，還能夠減少姿控功能重構任務所需要的時間。因此，辨識控制一體化技術有重要的理論意義與工程應用價值。

辨識控制一體化技術通過事先為組合體設定期望軌跡的方法，在納星對組合體進行參數(shù)辨識的同時通過納星實現(xiàn)組合體對期望軌跡的跟蹤。因此，只要組合體的期望軌跡設計得合理，在辨識過程結束的時候，納星實質上就已經(jīng)能夠成功地實現(xiàn)故障衛(wèi)星姿態(tài)運動的消旋或是重定向任務。期望軌跡需要滿足初始狀態(tài)約束、終端狀態(tài)約束，以及狀態(tài)值幅值約束，以便滿足故障衛(wèi)星姿控功能重構任務對組合體終端角速度、終端角加速度所提出的零值要求，以及納星執(zhí)行機構反作用輪最大輸出力矩限制所提出的幅值要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明綜合考慮故障衛(wèi)星姿控功能重構任務所提出的組合體初始終端狀態(tài)值要求、狀態(tài)值幅值要求，提出了一種納星重構故障衛(wèi)星姿控功能的辨識控制一體化方法，該方法針對未來納星在軌重構故障衛(wèi)星姿控功能的任務，以提高納星重構故障衛(wèi)星姿控功能的效率。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)：

納星重構故障衛(wèi)星姿控功能的辨識控制一體化方法，包括以下步驟：

步驟一、建立納星-故障衛(wèi)星組合體轉動慣量矩陣辨識方程；

步驟二、設計符合狀態(tài)值約束的組合體期望姿態(tài)運動軌跡；

步驟三、設計基于實時姿態(tài)動力學模型的組合體姿態(tài)跟蹤控制器。

本發(fā)明的進一步的改進在于：

步驟一的具體方法如下：

納星裝配有計算單元與執(zhí)行機構，且納星的本體坐標系事先已知，因此由納星來進行組合體轉動慣量矩陣中各參數(shù)的辨識，而納星的本體坐標系o₁x₁y₁z₁為辨識所采用的計算坐標系oxyz；辨識開始時，組合體的轉動角速度為ω，其在計算坐標系oxyz中的分量為ω_x,ω_y,ω_z；假設組合體在空間只受到納星所提供的控制力矩，則其姿態(tài)動力學方程表示為：

其中，J為組合體的轉動慣量矩陣，M為納星所提供的控制力矩；分離組合體轉動慣量矩陣中待辨識的參數(shù)，得到組合體的轉動慣量矩陣辨識方程如下：

其中，Θ_J＝[J_x J_y J_z J_xy J_xz J_yz]^T，為組合體轉動慣量矩陣中待辨識的參數(shù)，測量矩陣為：

其中，表示測量矩陣的加號逆，因此組合體轉動慣量矩陣中的各參數(shù)是基于最小二乘法辨識得到的。

步驟二的具體方法如下：

組合體期望姿態(tài)運動軌跡記為如下的形式：

其中，ω_r＝[ω_rx ω_ry ω_rz]^T為組合體期望角速度運動軌跡，為組合體期望角加速度運動軌跡，均描述在計算坐標系oxyz中，采用傅里葉級數(shù)定義組合體的期望姿態(tài)運動軌跡：

其中，ω_f為傅里葉級數(shù)的基頻，a_lm和b_lm為待確定的傅里葉系數(shù)，υ_rl0為待確定的角速度偏移量(l＝x,y,z)；對于計算坐標系下的x,y,z三個自由度來說，每個自由度都需要確定2N_m+1個系數(shù)，以便確定描述組合體期望姿態(tài)運動軌跡的傅里葉級數(shù)；

綜合考慮故障衛(wèi)星姿控功能重構任務對組合體初始角速度、初始角加速度所提出的擬合要求，對組合體終端角速度、終端角加速度所提出的零值要求，以及納星執(zhí)行機構反作用輪最大輸出力矩限制所提出的幅值要求，得到如下的約束條件：

初始角速度、初始角加速度的擬合約束：

終端角速度、終端角加速度的零值約束：

狀態(tài)值幅值約束：

在滿足式(6)、式(7)、式(8)所給出的約束條件下計算傅里葉級數(shù)中的參數(shù)，就能夠得到計算坐標系下所對應的組合體期望姿態(tài)運動軌跡。

步驟三的具體方法如下：

組合體的動力學模型如下：

其中：

f(ω)＝-J^-1ω×(Jω) (10)

組合體實際角速度相對于期望角速度的偏差定義如下：

ω_e＝ω-ω_r (11)

綜合考慮式(4)、式(9)與式(11)，得到如下的姿態(tài)偏差動力學方程：

為了控制組合體準確跟蹤設定的期望姿態(tài)運動軌跡，考慮如下的姿態(tài)跟蹤控制器：

M＝J(g(t)-f(ω)-kω_e) (13)

通過在線辨識得到的轉動慣量矩陣不斷地對組合體姿態(tài)動力學模型進行在線更新，并根據(jù)實時的姿態(tài)動力學模型采用式(13)給出的姿態(tài)跟蹤控制器來進行組合體控制量的解算，便能夠在故障衛(wèi)星姿控功能重構的過程中通過納星同時實現(xiàn)對組合體慣性參數(shù)的辨識與姿態(tài)運動的控制。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明能夠在獲得組合體轉動慣量矩陣的同時，通過納星實現(xiàn)故障衛(wèi)星的消旋。只要納星在辨識的過程中控制故障衛(wèi)星沿著期望的姿態(tài)運動軌跡運動，就能夠在整個姿控功能重構的過程中，保證納星-故障衛(wèi)星組合體滿足終端角速度與終端角加速度的零值約束，以及納星執(zhí)行機構反作用輪控制力矩限制所提出的狀態(tài)值幅值約束。辨識控制一體化方法不僅同時實現(xiàn)了參數(shù)辨識與姿態(tài)控制，提高了納星重構故障衛(wèi)星姿控功能的效率，還有效地提高了納星對故障衛(wèi)星的控制精度，在未來通過納星安全、快速地完成對參數(shù)未知的故障衛(wèi)星的認知與控制任務中具有重要應用。

【附圖說明】

圖1為組合體轉動慣量矩陣辨識結果隨時間變化曲線；

圖2為組合體姿態(tài)角速度隨時間變化曲線；

圖3為組合體姿態(tài)角加速度隨時間變化曲線；

圖4為三軸控制力矩隨時間變化曲線。

【具體實施方式】

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

本發(fā)明納星重構故障衛(wèi)星姿控功能的辨識控制一體化方法，包括以下步驟：

步驟一、建立納星-故障衛(wèi)星組合體轉動慣量矩陣辨識方程。

納星貼附于故障衛(wèi)星表面與其形成組合體后，組合體轉動慣量矩陣中的各參數(shù)是未知的，組合體的本體坐標系也是未知的。納星裝配有計算單元與執(zhí)行機構，且納星的本體坐標系事先已知，因此由納星來進行組合體轉動慣量矩陣中各參數(shù)的辨識，而納星的本體坐標系o₁x₁y₁z₁為辨識所采用的計算坐標系oxyz。辨識開始的時候，組合體的轉動角速度為ω，其在計算坐標系oxyz中的分量為ω_x,ω_y,ω_z。假設組合體在空間只受到納星所提供的控制力矩，則其姿態(tài)動力學方程可以表示為：

其中J為組合體的轉動慣量矩陣，M為納星所提供的控制力矩。分離組合體轉動慣量矩陣中待辨識的參數(shù)，可以得到組合體的轉動慣量矩陣辨識方程如下：

其中Θ_J＝[J_x J_y J_z J_xy J_xz J_yz]^T，為組合體轉動慣量矩陣中待辨識的參數(shù)，測量矩陣為：

表示測量矩陣的加號逆，因此組合體轉動慣量矩陣中的各參數(shù)是基于最小二乘法辨識得到的。

步驟二、設計符合狀態(tài)值約束的組合體期望姿態(tài)運動軌跡。

組合體期望姿態(tài)運動軌跡記為如下的形式：

其中，ω_r＝[ω_rx ω_ry ω_rz]^T為組合體期望角速度運動軌跡，為組合體期望角加速度運動軌跡，均描述在計算坐標系oxyz中，采用傅里葉級數(shù)定義組合體的期望姿態(tài)運動軌跡：

其中ω_f為傅里葉級數(shù)的基頻，a_lm，b_lm為待確定的傅里葉系數(shù)，υ_rl0為待確定的角速度偏移量(l＝x,y,z)。對于計算坐標系下的x,y,z三個自由度來說，每個自由度都需要確定2N_m+1個系數(shù)，以便確定描述組合體期望姿態(tài)運動軌跡的傅里葉級數(shù)。

故障衛(wèi)星的辨識控制一體化技術在辨識結束的時候完成故障衛(wèi)星的姿態(tài)控制任務，本發(fā)明中考慮故障衛(wèi)星具有初始角速度的情況，希望能夠在辨識結束的時候通過納星實現(xiàn)故障衛(wèi)星的消旋任務。因此，綜合考慮故障衛(wèi)星姿控功能重構任務對組合體初始角速度、初始角加速度所提出的擬合要求，對組合體終端角速度、終端角加速度所提出的零值要求，以及納星執(zhí)行機構反作用輪最大輸出力矩限制所提出的幅值要求，可以得到如下的約束條件：

初始角速度、初始角加速度的擬合約束：

終端角速度、終端角加速度的零值約束：

狀態(tài)值幅值約束：

在滿足式(6)、式(7)、式(8)所給出的約束條件下計算傅里葉級數(shù)中的參數(shù)，就可以得到計算坐標系下所對應的組合體期望姿態(tài)運動軌跡。

步驟三、設計基于實時姿態(tài)動力學模型的組合體姿態(tài)跟蹤控制器。

為了通過納星在故障衛(wèi)星姿控功能重構過程中實現(xiàn)辨識控制的一體化，需要基于組合體的實時動力學模型來設計組合體的姿態(tài)跟蹤控制器。組合體的動力學模型如下：

其中：

f(ω)＝-J^-1ω×(Jω) (10)

組合體實際角速度相對于期望角速度的偏差定義如下：

ω_e＝ω-ω_r (11)

綜合考慮式(4)、式(9)與式(11)，可以得到如下的姿態(tài)偏差動力學方程：

為了控制組合體準確跟蹤設定的期望姿態(tài)運動軌跡，考慮如下的姿態(tài)跟蹤控制器：

M＝J(g(t)-f(ω)-kω_e) (13)

通過在線辨識得到的轉動慣量矩陣不斷地對組合體姿態(tài)動力學模型進行在線更新，并根據(jù)實時的姿態(tài)動力學模型采用式(13)給出的姿態(tài)跟蹤控制器來進行組合體控制量的解算，便可以在故障衛(wèi)星姿控功能重構的過程中通過納星同時實現(xiàn)對組合體慣性參數(shù)的辨識與姿態(tài)運動的控制。

納星-故障衛(wèi)星組合體的實際轉動慣量矩陣在計算坐標系oxyz下的描述為：

表1組合體轉動慣量矩陣各參數(shù)辨識結果

表1中給出了辨識控制一體化方法所得到的組合體轉動慣量矩陣中各參數(shù)的辨識結果，圖1為實例中組合體轉動慣量矩陣辨識結果隨時間變化的曲線，圖2、圖3分別為故障衛(wèi)星姿控功能重構過程中，組合體姿態(tài)角速度與姿態(tài)角加速度隨時間變化的曲線。圖4為故障衛(wèi)星姿控功能重構過程中組合體所需要的控制力矩在計算坐標系中的分量隨時間變化的曲線。

實施例：

以納星貼附故障衛(wèi)星表面對其姿控功能進行重構的任務為實例，說明本發(fā)明中辨識控制一體化方法的有效性。組合體的轉動慣量矩陣J在計算坐標系下的描述為：

辨識開始的時候，組合體的初始姿態(tài)角速度為ω₀＝[3 4 2]^T(°/s)，即

ω₀＝[0.0524 0.0698 0.0349]^T(rad/s)

初始姿態(tài)角加速度為零。傅里葉級數(shù)的基頻ω_f＝0.01Hz，總控制時間為1000s，N_m＝4。

考慮組合體初始角速度、初始角加速度所提出的擬合約束條件，組合體終端角速度、終端角加速度所提出的零值約束條件以及納星執(zhí)行機構反作用輪最大輸出力矩限制所提出的狀態(tài)值幅值約束條件，可以得到相應的滿足所有約束條件的傅里葉系數(shù)，進而便可以獲得組合體期望的姿態(tài)運動軌跡。

納星剛剛貼附于故障衛(wèi)星表面的時候，對故障衛(wèi)星的動力學參數(shù)完全未知，為此先假定初始時刻組合體轉動慣量矩陣估值為：

作為辨識的初值。后續(xù)納星將根據(jù)施加給組合體的控制力矩與組合體的輸出響應，通過建立起來的能夠反映控制輸入與狀態(tài)輸出之間映射關系的組合體轉動慣量矩陣辨識方程來對組合體的轉動慣量矩陣進行實時辨識，并根據(jù)辨識得到的結果對組合體的姿態(tài)動力學模型進行實時更新。

控制器參數(shù)k＝0.01，根據(jù)基于實時姿態(tài)動力學模型設計的組合體姿態(tài)跟蹤控制器解算組合體跟蹤期望姿態(tài)運動軌跡所需的三軸控制力矩，來控制組合體的姿態(tài)運動，以便在組合體轉動慣量矩陣辨識結束的同時，完成對組合體姿態(tài)運動的控制。

基于辨識控制一體化方法得到的辨識結果如表1所示，可以看到辨識控制一體化方法最終實現(xiàn)了對組合體轉動慣量矩陣中各參數(shù)的辨識。故障衛(wèi)星姿控功能重構過程中組合體姿態(tài)角速度與姿態(tài)角加速度隨時間變化的曲線分別如圖2、圖3所示，可以看到在辨識結束的時候，組合體的姿態(tài)角速度與姿態(tài)角加速度都趨于零，這說明在組合體轉動慣量矩陣辨識結束的時候，對其姿態(tài)運動的控制也得以同時完成，實現(xiàn)了辨識控制一體化。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權利要求書的保護范圍之內(nèi)。