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摘要
多颗卫星组成的航天器编队在当前许多空间任务,如空间成像、空间攻防、科
学探测等任务中发挥着重要作用,同时在未来的太空活动中也具有广阔的应用前
景。针对多航天器编队的空间实际应用背景,本研究考虑多航天器编队相对轨道动
力学模型与姿态动力学模型耦合;编队通信存在时延、丢包与误码;航天器平台计
算与通信资源有限的实际工程背景,针对长期执行空间任务的多航天器编队,提出
快速、稳定、高精度的控制要求,设计姿轨一体化控制器以实现多航天器编队构型
的长期、稳定、准确保持。
具体的研究内容如下:
(1)考虑编队执行空间任务时要求编队构型严格保持的需求,针对航天器编
队相对动力学模型与姿态动力学模型的耦合与模型的非线性特点,设计固定时间
控制器,实现编队的快速、准确控制。考虑传统编队控制器基于线性化模型、线性
反馈带来的控制能力受限的问题,通过非线性的姿轨一体化的研究,针对非线性模
型的设计中带有耦合项的Lyapunov函数,通过对其时间导数的讨论,在控制器中
引入分数阶反馈项、线性反馈项与常值反馈项,进而通过固定时间稳定性定理证明
系统能够在固定时间内收敛至平衡点附近足够小的邻域内。同时考虑分数阶反馈
与常值反馈在平衡点附近的主导地位,设计变结构控制算法使系统从任意初始状
态快速收敛至平衡点附近邻域,同时避免经典分数阶反馈带来的奇异性与抖振问
题。
(2)考虑多航天器编队在非任务模式下不需要进行严格编队控制而只需要进行
编队构型保持以及航天器平台计算资源、通信资源有限的现实条件,设计了事件触
发控制器实现非任务模式下卫星编队的长期、高效保持。同时该事件触发器能够大
幅度的节约航天器燃料,延长其使用寿命。首先考虑长周期信号反馈的特点,设计
模型预测控制器,对两个信号反馈周期内的系统状态进行预测与估计,并利用其估
计值计算参考误差信号并基于此设计事件触发器;设计模型预测PID控制器实现
非任务模式下航天器编队的稳定、高效保持,并构造Lyapunov函数对系统稳定性
进行讨论与证明。
(3)最后考虑在实际工程中存在的故障如敏感器测量缺失,以及通信受限的情
况如时延、丢包与误码带来的部分状态信息缺失,设计状态观测器对缺失信息进行
有效估计并基于此设计控制器,实现通信受限条件下的编队控制。首先针对系统状
态测量缺失的情况,利用姿轨一体化动力学模型的耦合特性与状态反馈,设计有限
时间分数阶滑模状态观测器,对缺失状态进行估计与逼近,并利用Lyapunov函数
证明其稳定性与精度;随后引入动态滑模面实现增强系统的鲁棒性,提高收敛速率,
并设计有限时间控制器实现测量敏感器故障条件下的多航天器编队控制。
关键词:多航天器编队;姿轨一体化;固定时间控制;事件触发控制;状态观测器
Abstract
Spacecraftformationcomposedofmultiplesatellitesplaysanimportantrolein
manycurrentspacemissions,suchasspaceimaging,spaceattackanddefense,scientific
explorationandsoon.Spacecraftformationhasbroadapplicationprospectsinfuture
spaceactivities.Inviewofthepracticalspaceapplicationbackgroundofmulti-spacecraft
formation,thecouplingofrelativeorbitdynamicsmodelandattitudedynamicsmodelof
multi-spacecraftformationisconsideredinthisstudy.Delay,packetlossandcodeerror
existinformationcommunication.Inthepracticalengineeringbackgroundofthelimited
computingandcommunicationresourcesofspacecra
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