CN117648000B - 一种挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制方法，属于航天器控制领域，针对挠性振动干扰与液体晃动干扰下挠性充液卫星的姿态控制系统，首先，基于卫星的刚‑挠‑液作用机理完成对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精细表征，建立挠性充液卫星的紧耦合姿态动力学模型；其次，建立干扰可分离性分析判据，设计干扰分离观测器估计挠性振动干扰与液体晃动干扰；最后，基于干扰分离观测器的估计值，设计挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制律，实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精确补偿；本发明具有抗干扰能力强、控制精度高等优点，可用于挠性充液卫星的高精度姿态控制。
Description
技术领域
本发明属于航天器控制领域，具体涉及一种挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制方法，可以实现对挠性充液卫星挠性振动干扰与液体晃动干扰的分离估计与精细补偿，可用于通信卫星等刚-挠-液耦合航天器的高精度姿态指向控制任务。
背景技术
随着航天技术的发展，在轨通信、对地观测等航天任务对卫星及载荷的控制精度与稳定度需求日益提升。然而，对于通信卫星等典型航天器而言，卫星往往携带大型天线与太阳翼等挠性部件以满足通信、电能供给需求。虽然挠性部件可不断完善卫星功能，但是这些部件使得挠性卫星是一类典型的无穷维分布参数系统，给姿态控制的设计带来挑战。卫星机动、热环境变化、环境扰动等因素均会激发挠性部件的持续振动，通过刚挠耦合对卫星本体姿态产生多模态扰动，降低姿态控制精度与稳定度。此外，卫星往往装载大量的液体燃料来满足在轨期间的轨道保持、变轨、姿态机动等任务，然而，机动过程极易引发液体燃料的晃动，空间微重力环境下带来卫星姿态的振荡问题。因此，对于挠性充液卫星而言，挠性振动干扰与液体晃动干扰的精确补偿成为提升刚-挠-液耦合下卫星姿态控制性能的关键。
针对挠性充液卫星的抗干扰姿态控制问题，包括控制、滑模控制等在内的鲁棒控制方法得到了广泛的研究，这些鲁棒控制方法将挠性振动、液体晃动等干扰归结为范数有界变量进行抑制。另一类抗干扰控制手段是干扰补偿方法（例如自抗扰控制、基于干扰观测器的控制等），其核心是干扰估计技术。然而，上述方法均是单一类型抗干扰控制方法。对于多源异类干扰控制系统问题，复合分层抗干扰控制将干扰观测器与其他控制方法有效结合，采用前馈与反馈的复合结构实现对多源干扰的同时抑制与补偿，被广泛应用于挠性航天器的高精度控制问题。例如，中国专利申请ZL201610361655.0发明了一种挠性航天器挠性振动的快速估计与补偿方法。上述方法虽然在姿态控制中具有一定的鲁棒性和抗干扰能力，但是没有充分挖掘挠性振动与液体晃动等干扰的耦合关联关系，具有一定的保守性；此外，现有方法往往将不同模态、不同频率的挠性振动干扰与液体晃动干扰当作单一同质干扰来处理，精细度不足，难以实现干扰的精细分离，限制了干扰估计与姿态控制精度的提升。因此，对于挠性充液卫星的姿态控制系统而言，如何挖掘挠性振动干扰与液体晃动干扰的紧耦合关系，进而实现干扰的分离估计是一项亟需解决的瓶颈问题。
发明内容
针对现有的挠性充液卫星姿态控制方法忽略刚-挠-液紧耦合关联关系、难以实现挠性振动干扰与液体晃动干扰精细分离估计的问题，本发明提供了一种挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制方法。具体地，基于刚-挠-液作用机理完成对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精细表征；然后利用挠性振动干扰与液体晃动干扰的不同耦合动态与模态信息，设计干扰分离观测器实现对干扰的分离估计；最后设计卫星紧耦合抗干扰姿态控制律完成对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精确补偿，从而提升卫星姿态控制系统的精确性、稳定性与鲁棒性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制方法，包括：首先，基于卫星的刚-挠-液作用机理完成对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精细表征，建立挠性充液卫星的紧耦合姿态动力学模型；其次，建立干扰可分离性分析判据，设计干扰分离观测器估计挠性振动干扰与液体晃动干扰；最后，基于干扰分离观测器的估计值，设计挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制律，实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精确补偿。
本发明的有益效果在于：本发明针对挠性振动干扰、液体晃动干扰下卫星的高精度与高稳定度姿态控制问题，在充分利用卫星刚-挠-液作用机理的基础上，建立了挠性充液卫星的紧耦合姿态动力学模型，并设计了一种干扰分离观测器，实现了对挠性振动干扰与液体晃动干扰的分离估计与补偿，可显著提升挠性充液卫星的姿态指向控制精度与稳定度。
附图说明
图1为本发明的一种挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明具体实现步骤如下：
第一步，基于卫星的刚-挠-液作用机理完成对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精细表征，建立挠性充液卫星的紧耦合姿态动力学模型：
在小角度条件下，基于欧拉角的卫星姿态运动学描述为：
，
其中，、/>、/>分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角，/>、/>和/>分别为滚动角速度、俯仰角速度和偏航角速度，/>、/>和/>分别为/>的一阶时间导数、/>的一阶时间导数和/>的一阶时间导数，/>为已知的轨道角速度；
挠性充液卫星的姿态动力学模型为：
，
其中，为卫星的惯量矩阵，/>为由/>、/>和/>所组成的角速度矢量，/>表示由/>、/>、/>组成的姿态角矢量，上标“T”表示转置运算；/>为/>的一阶时间导数，/>表示关于/>的叉乘矩阵；/>表示刚挠耦合矩阵，表示/>的转置矩阵；/>、/>与/>均表示与刚液耦合相关的常数矩阵，/>表示紧耦合抗干扰姿态控制律；/>表示挠性振动干扰的模态位移，/>与/>分别表示/>的一阶时间导数与二阶时间导数，/>与/>分别表示挠性振动干扰的阻尼矩阵与刚度矩阵；/>表示液体晃动干扰的模态位移，/>与/>分别表示/>的一阶时间导数与二阶时间导数，/>表示液体晃动干扰的模态频率矩阵；/>和/>分别表示/>行1列和/>行1列的零矩阵，/>表示挠性振动干扰的模态位移的维数，/>表示液体晃动干扰的模态位移的维数；
定义变量和/>，基于刚-挠-液作用机理将挠性振动干扰模型表征为模型/>的形式：
，
其中，为由/>和/>组成的列向量，表示挠性振动干扰模型的状态向量，上标“T”表示转置运算，/>和/>分别表示/>的转置和/>的转置，/>表示/>的一阶时间导数；/>和/>分别表示挠性振动干扰与液体晃动干扰，系数矩阵/>、/>和/>的表达式为
，和/>；/>和/>分别表示/>行/>列和/>行3列的零矩阵，/>表示/>行/>列的单位矩阵；矩阵/>为已知的常数矩阵，其表达式为
，上标“-1”表示求逆运算，即/>表示矩阵/>的逆矩阵；
同理，定义变量和/>，基于刚-挠-液作用机理将液体晃动干扰模型表征为模型/>的形式：
，
其中，为由/>和/>组成的列向量，表示液体晃动干扰模型的状态向量，上标“T”表示转置运算，/>和/>分别表示/>的转置和/>的转置，/>表示/>的一阶时间导数；系数矩阵/>、/>、/>和/>的表达式为
，，/>和/>；/>、/>、/>和/>分别表示/>行/>列、/>行3列、3行/>列和/>行1列的零矩阵，/>表示/>行列的单位矩阵；
联合挠性充液卫星的姿态动力学模型、挠性振动干扰模型以及液体晃动干扰模型/>，得到挠性充液卫星的紧耦合动力学模型/>：
，
其中，、/>和/>分别表示3行3列、/>行3列、/>行3列的零矩阵；/>和/>分别表示3行1列和/>行1列的零矩阵。
第二步，建立干扰可分离性分析判据，设计干扰分离观测器估计挠性振动干扰与液体晃动干扰：
定义可分离性判别矩阵和，其中/>表示3行3列的单位矩阵，/>和/>分别表示3行/>列、3行/>列的零矩阵；/>和/>为可分离性判别矩阵；基于挠性充液卫星的紧耦合动力学模型/>，建立挠性振动干扰与液体晃动干扰的可分离性判据为：
，
其中，表示求矩阵的秩，矩阵/>表示由/>、/>直到这/>个分块矩阵按行构成的矩阵；矩阵中省略号/>表示对应的分块矩阵，其表达式为/>，/>表示分块矩阵所在行数，在3到/>中取值；/>表示/>的/>次方，/>表示/>的/>次方；
在满足干扰可分离性判据的基础上，干扰分离观测器由挠性振动干扰观测器和液体晃动干扰观测器/>构成，从而实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的分离估计：
，
，
其中，和/>分别表示/>的估计值和/>的估计值，/>和/>分别表示/>的估计值和/>的估计值；/>和/>为辅助变量，/>和/>分别表示/>的一阶时间导数和/>的一阶时间导数；/>和/>为干扰分离观测器的增益矩阵；
定义和/>为干扰分离观测器的估计误差，其动态为：
，
其中，和/>分别表示/>的一阶时间导数和/>的一阶时间导数；通过极点配置方法，选取干扰分离观测器的增益矩阵/>和/>使得矩阵/>所有极点均具有负实部，从而完成增益矩阵的求解；
第三步，基于干扰分离观测器的估计值，设计挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制律，实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精确补偿：
基于卫星姿态运动学定义期望姿态角速度为
，其中/>为正的常数；基于挠性充液卫星的紧耦合动力学模型/>，设计卫星紧耦合抗干扰姿态控制律u为：
，
其中，为正的常数，/>表示期望姿态角速度/>的一阶时间导数；所设计的紧耦合抗干扰姿态控制律使姿态角矢量渐近收敛到平衡点，实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的同时精确补偿。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.一种挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于卫星的刚-挠-液作用机理完成对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精细表征，建立挠性充液卫星的紧耦合姿态动力学模型；
步骤2、建立干扰可分离性分析判据，设计干扰分离观测器估计挠性振动干扰与液体晃动干扰；
步骤3、基于干扰分离观测器的估计值，设计挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制律，实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精确补偿；
所述步骤1中，在小角度条件下，基于欧拉角描述卫星的姿态运动学；考虑挠性振动干扰与液体晃动干扰下挠性充液卫星的姿态动力学模型，基于刚-挠-液作用机理完成对挠性振动干扰与液体晃动干扰的精细表征，建立挠性振动干扰模型与液体晃动干扰模型；联合挠性充液卫星的姿态动力学模型、挠性振动干扰模型与液体晃动干扰模型，得到挠性充液卫星的紧耦合动力学模型，表示为：
，
其中，与/>分别表示卫星的角速度矢量与姿态角矢量，/>为/>的一阶时间导数，为卫星的惯量矩阵，/>表示关于/>的叉乘矩阵；矩阵/>为常数矩阵，/>表示/>的逆矩阵；/>与/>均表示与刚液耦合相关的常数矩阵，/>表示紧耦合抗干扰姿态控制律；与/>分别表示挠性振动干扰模型的状态向量与液体晃动干扰模型的状态向量，/>与/>分别表示/>的一阶时间导数与/>的一阶时间导数；系数矩阵/>、/>和/>为挠性振动干扰模型中的常数矩阵；系数矩阵/>、/>、/>和/>表示液体晃动干扰模型中的常数矩阵；、/>和/>分别表示3行3列、/>行3列、/>行3列的零矩阵；/>和/>分别表示3行1列和/>行1列的零矩阵；/>表示挠性振动干扰的模态位移的维数，/>表示液体晃动干扰的模态位移的维数；
所述步骤2中，根据建立的挠性充液卫星的紧耦合动力学模型，建立基于矩阵秩的干扰可分离性分析判据；在满足干扰可分离性判据的基础上，设计由挠性振动干扰观测器和液体晃动干扰观测器构成的干扰分离观测器，从而实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的分离估计：
，
，
其中，和/>分别表示挠性振动干扰和液体晃动干扰；/>和/>分别表示/>的估计值和/>的估计值，/>和/>分别表示/>的估计值和/>的估计值；/>和/>为辅助变量，和/>分别表示/>的一阶时间导数和/>的一阶时间导数；/>和/>为干扰分离观测器的增益矩阵；通过极点配置方法完成干扰分离观测器的增益矩阵/>和/>的求解；
所述步骤3中，基于干扰分离观测器的估计值，设计挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制律为：
，
其中，为正的常数，/>为已知的期望姿态角速度，/>表示/>的一阶时间导数；所述挠性充液卫星紧耦合抗干扰姿态控制律使姿态角矢量渐近收敛到平衡点，实现对挠性振动干扰与液体晃动干扰的同时精确补偿。
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