带时变通信时间延迟的卫星编队姿态协同自适应L2增益控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252011V01．32No．2321．329ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000～6893(2011)02—0321—09带时变通信时间延迟的卫星编队姿态协同自适应L2增益控制周稼康，胡庆雷*，马广富，吕跃勇哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：针对卫星编队姿态协同分布式控制问题，提出一种基于Lyapunov方法的编队飞行协同控制策略。首先，

2、考虑到实际编队飞行中星问通信存在时变时间延迟及模型不确定问题，结合变结构控制的思想设计一种针对时滞系统稳定性分析的Lyapunov函数，从而由直接Lyapunov方法得到可对模型参数进行估计的自适应分布式姿态协同控制器，并论证其构成的闭环系统的稳定性。其次，考虑到外界干扰对系统的性能输出影响。利用L：增益耗散不等式重新设计控制器参数，使系统满足L：增益稳定的条件。该控制器不仅能够克服星间时变通信时间延迟对编队卫星姿态协同带来的影响，使编队卫星达到姿态的协同跟踪，同时还能抑制外界干扰对系统输出的影响，使闭环系统满足整体编队输出性能指标要求。最后，将提出

3、的算法应用于双星编队姿态协同控制问题，仿真结果表明该方法具有可行性、有效性及潜在的应用前景。关键词：编队飞行；协同控制；L：增益扰动抑制；时间延迟；Lyapunov函数中图分类号：V448．2文献标识码：A卫星编队飞行中，多颗小卫星之间形成特定的编队构型[1吨]，通过星间信息交互协同T作，形成一个分布式卫星系统。整个编队系统在执行一些复杂的编队任务(例如深空干涉仪图像采集、合成孔径雷达成像等)时，要求编队中的各个小卫星不仅达到整个编队的姿态要求(绝对期望姿态)，同时要求各卫星间的相对姿态满足一定的约束，达到指定的一致性要求(如姿态一致、姿态重合、波束

4、同步)，由此便提出分布式系统的协同控制问题。分布式卫星系统的编队控制要求每颗卫星根据编队的期望姿态、该星的状态以及邻星的状态来决定自身的控制行为。而在分布式卫星系统中，由于个体间通信线路的过载、信息交互的不对称性及通信设备物理特性对信息传递速度的限制，不可避免地出现通信时间延迟现象，影响整体系统的稳定性L3]。文献[43～文献[103在时滞分布式系统控制方面进行了深入的研究，并取得了一些成果。文献[43和文献E53利用Nyquist判据研究了时间延迟对一阶分布式系统无向拓扑结构的一致性协同问题的影响，并给出了定常时间延迟的最大值限制。文献[73针对无

5、向拓扑结构的分布式系统，利用线性不等式给出了时变时间延迟的最大值限制及其变化率范围。在文献[73基础上，文献[83进行了有向时滞拓扑结构的稳定性分析。文献r-lo-1针对离散分布式系统的有向拓扑结构给出了考虑时间延迟系统稳定性的充分条收稿日期：2010．05．25；退修日期：2010．07．20；录用日期：2010-10-07；网络出版时问：2010-10-2818：30网络出版地址：WWW．cnki．net／kcrns／detail／11～929一V201010281830003．htmlDOI：CNKI：11-1929／V一20101028．18

6、30．003基金项目：国家fI然科学基金(60774062．61004072)；高等学校博士学科点专项科研基金(20070213061)；黑龙江省留学回国人员科学基金(Lc08C01)；哈尔滨市留学回国基金(2010RFL×G001)；中央高校基本科研业务费专项基金(HIT．NSRIF．2009003)*通讯作者．Tel．；0451．86413411-8606E-mail：huqinglei@hit．edu．Cn荸l用格武i周稼康．胡庚雷，马广童．等．带时变通信对阊延迟的卫星编队姿态协两自适应L2增盏控制[J]．航空学撮．20II．32(2)：321

7、．329．Zhoudiakang，HuQinglei，MaGuangfu．eta

8、．AdaptiveL2-gaincooperativeattitudecontrolofsatelliteformationfly-ingwithtime-varyingde／ayrJ]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．20¨。32(2)：321-329．航空学报薯1T，一‘}㈩毒。；=一虿∞旭J分别为期望的姿态四元数和角速度，R。，为从期望坐标系到本体坐标系的状态转移矩阵。由文献[21]可知，误差四元数及误差角速度仍然满足式(1

9、)中描述的卫星编队姿态运动学方程，即有毒。一一号幽一丢qoe叫礼：一缸if∞’且有如下动力学方程：J。南“=