【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于衛(wèi)星編隊系統(tǒng)與協(xié)同控制，具體涉及一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法。
技術(shù)介紹
1、衛(wèi)星編隊系統(tǒng)是指具有多個航天器通信、協(xié)同工作的復(fù)合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大范圍、多樣化的任務(wù)，具有多功能、高可靠性、高靈活性和低成本等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于對地觀測、空間環(huán)境監(jiān)測、星座組網(wǎng)和深空探索等空間任務(wù)。
2、衛(wèi)星編隊對地觀測有掃描成像、凝視成像等多種成像模式。凝視成像主要應(yīng)用在分布式合成孔徑雷達(dá)等協(xié)同觀測編隊中，該成像模式需要編隊中各成員衛(wèi)星同時指向地球上某一目標(biāo)點，在同一時刻從不同空間角度對地球同一目標(biāo)點進(jìn)行觀測，再將收集到的多角度觀測信息進(jìn)行合成，以得到更高精度的觀測信息。凝視成像的有效觀測區(qū)域為各衛(wèi)星觀測區(qū)域的交集，因此需要對編隊中各成員衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)協(xié)同控制，以保證衛(wèi)星編隊在凝視成像過程中有效觀測區(qū)域盡可能大。在衛(wèi)星編隊的姿態(tài)協(xié)同控制策略方面，傳統(tǒng)方法主要有主從協(xié)同控制和并行協(xié)同控制，主從協(xié)同控制從成員衛(wèi)星響應(yīng)速度出發(fā)，選取一顆響應(yīng)速度低的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，控制其他響應(yīng)速度高的衛(wèi)星跟蹤參考衛(wèi)星以實現(xiàn)姿態(tài)協(xié)同，但在衛(wèi)星編隊凝視成像時，由于各星控制輸入各不相同，難以找到合適的參考衛(wèi)星；并行協(xié)同控制根據(jù)各衛(wèi)星期望姿態(tài)軌跡，在控制輸入階段對各成員衛(wèi)星的期望姿態(tài)進(jìn)行合理規(guī)劃，以實現(xiàn)控制效果上的協(xié)同，但由于各衛(wèi)星之間缺少通信，在各衛(wèi)星響應(yīng)速度不同的情況下協(xié)同性相對較差。
3、綜上所述，現(xiàn)有衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法仍然無法實現(xiàn)成員衛(wèi)星響應(yīng)速度不同情況下的高性能姿態(tài)協(xié)同控制，因此迫切需要提出一種新的衛(wèi)星編隊姿態(tài)
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是為解決現(xiàn)有衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法無法實現(xiàn)成員衛(wèi)星響應(yīng)速度不同情況下的高性能姿態(tài)協(xié)同控制的問題，而提出的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法。
2、本專利技術(shù)為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：
3、一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，所述方法具體包括以下步驟：
4、步驟一、對于每顆成員衛(wèi)星，均基于自身姿態(tài)跟蹤誤差的四元數(shù)信息求解自身姿態(tài)誤差的軸角信息，并根據(jù)星間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的星間通信關(guān)系，將自身姿態(tài)誤差的軸角信息傳遞給其他成員衛(wèi)星；
5、步驟二、對于第i顆成員衛(wèi)星，根據(jù)第i顆成員衛(wèi)星的軸角信息分別計算第i顆成員衛(wèi)星相對于每顆與其通信的成員衛(wèi)星的交叉耦合協(xié)同誤差角，并對計算出的交叉耦合協(xié)同誤差角進(jìn)行限幅，得到限幅后的交叉耦合協(xié)同誤差角；
6、設(shè)計自適應(yīng)函數(shù)fe(θij,e)，根據(jù)自適應(yīng)函數(shù)和限幅后的交叉耦合協(xié)同誤差角計算第i顆成員衛(wèi)星相對于每顆與其通信的成員衛(wèi)星的跟蹤誤差角修正量；
7、根據(jù)計算出的跟蹤誤差角修正量對第i顆成員衛(wèi)星的跟蹤誤差角θi進(jìn)行修正，獲得第i顆成員衛(wèi)星調(diào)整后的跟蹤誤差角，并對調(diào)整后的跟蹤誤差角進(jìn)行限幅，得到第i顆成員衛(wèi)星限幅后的跟蹤誤差角；將第i顆成員衛(wèi)星限幅后的跟蹤誤差角轉(zhuǎn)換為四元數(shù)形式，得到調(diào)整后的姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息；
8、同理，分別得到每顆成員衛(wèi)星的調(diào)整后的姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息；
9、步驟三、根據(jù)調(diào)整后的姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息和角速度誤差，分別計算每顆成員衛(wèi)星的跟蹤誤差四元數(shù)變化率；再根據(jù)調(diào)整后的姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息和跟蹤誤差四元數(shù)變化率分別設(shè)計每顆成員衛(wèi)星的自適應(yīng)非奇異終端滑動模態(tài)；
10、并根據(jù)跟蹤誤差四元數(shù)變化率、調(diào)整后的姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息和自適應(yīng)非奇異終端滑動模態(tài)分別計算每顆成員衛(wèi)星的姿態(tài)控制量，實現(xiàn)衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制。
11、本專利技術(shù)的有益效果是：
12、(1)本專利技術(shù)設(shè)計的軸角交叉耦合協(xié)同控制策略考慮了姿態(tài)協(xié)同誤差，具有更強(qiáng)的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制能力，相較于主從協(xié)同控制、并行協(xié)同控制，可以在具有擾動及不確定性的條件下實現(xiàn)更好的姿態(tài)協(xié)同效果。因此，在成員衛(wèi)星響應(yīng)速度不同的情況下，本專利技術(shù)方法仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高性能姿態(tài)協(xié)同控制，并且在保證協(xié)同效果的同時大大減小計算量。
13、(2)本專利技術(shù)在進(jìn)行軸角交叉耦合協(xié)同誤差角計算時使用了姿態(tài)的軸角表示方式，將三維物理量轉(zhuǎn)為一維形式，物理意義明確，且方便衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同策略的實施。
14、(3)本專利技術(shù)提出了一種自適應(yīng)的姿態(tài)協(xié)同策略，在使用協(xié)同誤差角對跟蹤誤差角進(jìn)行修正時，通過自適應(yīng)函數(shù)對跟蹤誤差角修正量的大小進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)調(diào)整量過大導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大超調(diào)和調(diào)整量過小導(dǎo)致軸角交叉耦合作用不明顯的現(xiàn)象。
15、(4)本專利技術(shù)設(shè)計了一種基于軸角交叉耦合協(xié)同策略的自適應(yīng)非奇異終端滑模控制方法，可以無超調(diào)地控制各成員衛(wèi)星姿態(tài)誤差收斂到0附近，與并行協(xié)同控制相比，本專利技術(shù)方法將姿態(tài)誤差收斂到0.1°誤差范圍所利用的時間從14.28s縮短到了8.88s，收斂過程加速了12％，具有很好的穩(wěn)定性和快速性。
16、(5)本專利技術(shù)在姿態(tài)控制方法和姿態(tài)協(xié)同策略上相對分離，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以針對不同的實際衛(wèi)星對象，更換適應(yīng)性更好的控制方法，能夠滿足不同種類衛(wèi)星所構(gòu)成的衛(wèi)星編隊的姿態(tài)協(xié)同控制需求。
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1.一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述基于自身姿態(tài)跟蹤誤差的四元數(shù)信息求解自身姿態(tài)誤差的軸角信息，具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述步驟二中，對于第i顆成員衛(wèi)星，根據(jù)第i顆成員衛(wèi)星的軸角信息分別計算第i顆成員衛(wèi)星相對于每顆與其通信的成員衛(wèi)星的交叉耦合協(xié)同誤差角，并對計算出的交叉耦合協(xié)同誤差角進(jìn)行限幅，得到限幅后的交叉耦合協(xié)同誤差角；具體為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述自適應(yīng)函數(shù)為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述根據(jù)計算出的跟蹤誤差角修正量對第i顆成員衛(wèi)星的跟蹤誤差角θi進(jìn)行修正，獲得第i顆成員衛(wèi)星調(diào)整后的跟蹤誤差角，并對調(diào)整后的跟蹤誤差角進(jìn)行限幅，得到第i顆成員衛(wèi)星限幅后的跟蹤誤差角；具體為：
6.
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述根據(jù)調(diào)整后姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息和角速度誤差，分別計算每顆成員衛(wèi)星的跟蹤誤差四元數(shù)變化率；具體為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述根據(jù)調(diào)整后姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息和跟蹤誤差四元數(shù)變化率分別設(shè)計每顆成員衛(wèi)星的自適應(yīng)非奇異終端滑動模態(tài)；具體為：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述根據(jù)跟蹤誤差四元數(shù)變化率、調(diào)整后姿態(tài)跟蹤誤差四元數(shù)信息和自適應(yīng)非奇異終端滑動模態(tài)分別計算每顆成員衛(wèi)星的姿態(tài)控制量；具體為：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述坐標(biāo)變換矩陣Ci的具體形式為；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述基于自身姿態(tài)跟蹤誤差的四元數(shù)信息求解自身姿態(tài)誤差的軸角信息，具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述步驟二中，對于第i顆成員衛(wèi)星，根據(jù)第i顆成員衛(wèi)星的軸角信息分別計算第i顆成員衛(wèi)星相對于每顆與其通信的成員衛(wèi)星的交叉耦合協(xié)同誤差角，并對計算出的交叉耦合協(xié)同誤差角進(jìn)行限幅，得到限幅后的交叉耦合協(xié)同誤差角；具體為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述自適應(yīng)函數(shù)為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于軸角交叉耦合的衛(wèi)星編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法，其特征在于，所述根據(jù)計算出的跟蹤誤差角修正量對第i顆成員衛(wèi)星的跟蹤誤差角θi進(jìn)行修正，獲得第i顆成員衛(wèi)星調(diào)整后的跟蹤誤差角，并對調(diào)整后的跟蹤誤差角進(jìn)行限幅，得到第i顆成員衛(wèi)星限幅后的跟蹤誤差角；具體...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李曉磊，孫光輝，鞠殷昊，姚蔚然，吳承偉，王一鳴，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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