星间激光输能姿态指向自适应控制器设计

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1、２０１４年１０月中国空间科学技术１第５期ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ星间激光输能姿态指向自适应控制器设计１１２，３杨业伟黄勇李小将（１装备学院研究生管理大队，北京１０１４１６）（２装备学院航天装备系，北京１０１４１６）（３装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京１０１４１６）摘要针对同轨道平面两星之间激光能量传输时的姿态指向控制问题，基于反步（Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ）法提出了一种自适应控制器设计方法。该方法先基于罗德里格参数（ＭＲＰ）对卫星进行姿态描述；然后根据星间激光输能任务对姿态指

2、向的特殊要求通过多个姿态矩阵的转换解算出了用户星期望姿态的表达式；之后基于Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ法，设计了自适应控制律，该控制律能解决控制输入有限和转动惯量不确定的问题，而且有效克服空间干扰力矩；最后通过Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性定理证明了控制系统的稳定性。仿真结果显示，在约１５ｓ后，用户星的姿态误差和角速度误差收敛到０，并且角速度和控制力矩的值都在约束条件的范围内，说明文章设计的控制器不仅能够使用户星按最短路径调整到期望姿态，而且能够有效地抑制空间干扰力矩和解决转动惯量不确定的问题，并且通过合理地设计控制参数，可以在保证控制精

3、度和速度情况下使控制输入满足约束条件。关键词星间激光输能；自适应；反步法；姿态指向；控制器设计；罗德里格参数；李雅普诺夫定理；卫星ＤＯＩ：１０３７８０／ｊｉｓｓｎ１０００７５８Ｘ２０１４０５００１１引言激光输能技术是指能量发射端利用电能、光能或原子能等其他形式的能量泵浦产生激光，通过光学系统发射到能量接收端，能量接收端利用光电转换技术将激光能转换为电能，从而实现能量的［１］远距离无线传输。激光输能技术有多种应用形式，包括地对地激光输能、地对天激光输能、天对［２３］地激光输能和天对天激光输能，星间激光输能即属于天

4、对天激光输能。由于星间激光输能技术一直都处于系统层面的论证研究，尚未得到实际应用，因此国内外对于星间［４］激光输能技术已有的研究成果也多为系统层面的研究，如美国空军理工学院的ＮｉｃｈｏｌａｓＭ．Ｋｅｌｌｅｒ和［５］ＣｈａｒｌｉｅＴ．Ｂｅｌｌｏｗｓ分别对星间激光输能系统任务设计和系统效能评估进行了研究，文献［６］介绍了激光输能技术在“分离模块航天器”中的应用。而对星间激光输能关键技术的研究也绝大多数都集［７９］中于激光辐照下的光电转换技术，专门针对星间激光输能卫星姿态指向问题的研究成果较少，文献［１０］针对分离模块航天器中激光

5、能量传输方位约束的姿态指向问题，在考虑转动惯量不确定性和存在空间干扰力矩的前提下设计了一种鲁棒自适应姿态指向跟踪控制器，用于控制任务模块的能量接收单元指向能源模块，但是缺乏对控制力矩有限性的考虑。因此，鉴于星间激光输能技术及其卫星姿态指向问题的研究现状，本文针对同轨道平面两星之间激光能量传输时的姿态指向控制问题进行了研究。激光推进及其应用国家重点实验室基金资助项目收稿日期：２０１４０４２９。收修改稿日期：２０１４０７０１２中国空间科学技术２０１４年１０月考虑到卫星之间激光输能任务中的两颗卫星为合作卫星，因此可以根据星历

6、表得到两星之间的相对位置信息，针对星间激光输能时用户星激光接收面要求指向能源星的姿态控制问题，本文利用反步（Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ）法，在存在空间干扰力矩且干扰力矩有限、控制力矩有限和用户星惯量不确定的情况下，提出了一种自适应控制器的设计方法，仿真实例证明了本文设计的控制器在执行星间激光输能的姿态控制任务时是有效的，而且性能良好。２问题分析２１任务描述当用户星进入地影区或者自身能量不足时，向地面指控中心发送输能请求，地面指控中心向处于同轨道平面的能源星发送输能指令。能源星在接到指令后将激光发射器对准用户星，进入输能范围的位

7、置；用户星在进入输能范围之前进行姿态控制，以保证进入输能范围后与能源星之间建立准确的输能链路。图１为同轨道平面两星间激光输能之前用户星与能源星的空间相对位置示意。用户星采用八面柱体结构，侧面全为光电池阵图１用户星与能源星空间相对位置列，所在轨道为轨道１。由于星间激光输能时两星距Ｆｉｇ１Ｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｕｓｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅａｎｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓａｔｅｌｌｉｔｅ离较远，因此可以把能源星视作一个质点，其所在轨道为轨道２，轨道１和２共面。图１中的坐标系分别定义为：Ｏ１－Ｘ１Ｙ１Ｚ１为地球惯性坐标系

8、，用Ｓ１表示；Ｏ２－Ｘ２Ｙ２Ｚ２为用户星本体坐标系，用Ｓ２表示；Ｏ３－Ｘ３Ｙ３Ｚ３为用户星轨道坐标系，用Ｓ３表示。Ｏ２和Ｏ３为用户星立体几何中心，用户星与能源星之间的连线表示激光输能链路。同轨道平面两星间的激光输能姿态指向控制相比于其他姿态控制问题有其自己的特点，由于用户星采