航天器編隊飛行分布式協(xié)同控制方法研究.pdf

1、近年來,越來越多的航天研究機構針對多個航天器編隊飛行的空間任務展開研究。隨著一致性算法在一階和二階線性積分動力學系統(tǒng)的分布式控制中的應用研究越來越成熟,如何將一致性算法應用到航天器編隊系統(tǒng)的協(xié)同控制中,引起國內(nèi)外專家學者的關注。本文在總結已有研究成果的基礎上，對航天器編隊飛行的姿態(tài)及相對位置協(xié)同控制進行研究。論文主要內(nèi)容如下:
　　針對多個航天器編隊飛行的姿態(tài)協(xié)同控制問題展開研究,基于無向通信拓撲,根據(jù)一致性算法的思想,引入相互通

2、信的航天器姿態(tài)及角速度信息設計姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制策略。并將此控制策略擴展到含時變權值協(xié)同控制系數(shù)、利用滑模估計器獲得期望信息、面向有向通信拓撲的情況下,通過設計一系列控制算法來提高編隊系統(tǒng)中航天器間相對姿態(tài)誤差的控制精度及動態(tài)性能,減輕對地面站或主航天器的通信依賴。并通過設計控制策略使得編隊航天器可在有限時間內(nèi)快速協(xié)同收斂于期望姿態(tài),以及克服航天器物理參數(shù)的不確定性及外干擾力矩的影響。通過仿真驗證了相比于傳統(tǒng)主從結構的航天器集中式控制,上

3、述分布式控制策略能夠更好地解決多個航天器的姿態(tài)協(xié)同問題,具有較好的魯棒性。
　　考慮到相互通信的航天器間存在不可避免的信息傳遞時間延遲現(xiàn)象,通過選取合適的Lyapunov函數(shù),建立了面向通信時滯的變結構姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制策略,并找到不依賴時滯信息的穩(wěn)定性條件。進一步,給出保證外干擾力矩對系統(tǒng)輸出的影響滿足L2增益性能指標的控制參數(shù)選取范圍。另外,將此控制策略擴展到有向通信拓撲條件下,并考慮航天器間協(xié)同控制項的輸入時滯,進而找到依賴時

4、滯信息的穩(wěn)定性條件,降低了對控制參數(shù)要求的保守性。最后,通過引入含通信時滯的滑模濾波器的狀態(tài)信息來降低地面站或主航天器的通信壓力。通過仿真驗證了上述兩種含時滯信息控制策略的可行性。
　　考慮當航天器采用無角速度敏感器配置方案時,僅利用航天器絕對姿態(tài)及航天器間相對姿態(tài)信息設計輸出反饋姿態(tài)協(xié)同控制算法,并通過引入含積分項的濾波器達到抑制常值外干擾力矩的作用,同時給出期望姿態(tài)信息僅對編隊中部分航天器可知情況下無向通信拓撲需滿足的條件。在

5、上述面向通信時滯的姿態(tài)協(xié)同控制策略基礎上設計無需角速度信息的姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制算法,同樣將結果擴展到存在協(xié)同控制項輸入時滯的情況下,并分別給出獨立及依賴時滯信息的控制參數(shù)選取范圍。仿真結果表明在無需航天器角速度測量的基礎上，輸出反饋分布式控制策略仍然能夠使得多個編隊航天器協(xié)同跟蹤動態(tài)期望目標,并具有較好的控制精度。
　　考慮到航天器的相對位置對姿態(tài)控制的影響,基于在主航天器軌道系中建立的從屬航天器相對位置動力學方程給出分布式控制策略