相对空间目标任意位置悬停闭环控制方法研究

《相对空间目标任意位置悬停闭环控制方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2010年2月中国空间科学技术41第1期乙hinese；Space3clenceandlechnology相对空间目标任意位置悬停闭环控制方法研究宋旭民范丽陈勇李智(装备指挥技术学院，北京101416)摘要研究了相对空间目标任意位置悬停的控制方法，针对现有的开环控制方法对外部干扰和初始误差敏感的问题，基于Hill方程提出了悬停闲环控制方法。进行了仿真计算，证明了方法的有效性。仿真结果表明：该文方法的燃料消耗与开环控制接近而控制性能更好，可以在具有初始速度误差的情况下实现相对于空间目标的任意位置悬停。关键词悬停闭环控制轨道控制相对

2、运动航天器引言卫星相对于空间目标“悬停”是一种特殊的轨道控制技术，是指通过控制使追踪星在一段时间内与目标星相对位置保持不变，在目标星轨道坐标系中追踪星仿佛静止悬停在某个固定点上。由于“悬停”轨道的特点，使其在在轨服务等空间操作任务中具有广阔的应用前景。文献[1—3]针对追踪星保持在目标星同轨道面内沿径向正下方的情况进行了分析，提出了开环的控制方法，表明“悬停”轨道在原理上是可行的。文献E43对这一概念进行了扩展，对追踪星相对于目标星在任意位置悬停的情况进行了分析，将“正下方”悬停轨道看作一种特殊情况，提出了开环控制方法。文献[5

3、3提出了一种闭环悬停控制方法，可以进行任意位置悬停控制，但方法无法消除初始位置误差和速度误差，在存在初始误差的情况下，控制精度较差。目前文献给出的悬停控制均采用开环控制策略，由于开环控制方法无法考虑初始状态误差、测量误差、摄动力等干扰因素的影响，使控制效果对外部干扰比较敏感，即使很小的初始误差也有可能在一定时间后出现较大的控制误差，甚至无法实现定点悬停，这使得开环控制在实际中难以应用。为此，本文从Hill方程出发，研究了任意位置悬停的最优控制问题，提出了任意位置悬停的闭环控制方法，最后通过仿真以及与开环控制的对比验证了方法的有效

4、性。2悬停控制方法建立目标星轨道坐标系：原点O位于目标星质心，OX轴沿位置矢量方向，OY轴在轨道平面内垂直于OX轴并指向运动方向，OZ轴由右手法则确定。针对目标星运行于圆轨道的情况，～般悬停距离远远小于目标星地心距，则追踪星相对于目标星的相对运动可以由Hill方程描述[6]：互一2毋一3n2z=口。1；+2nk=口，}(1)兰+，122=n。I收稿日期：2009—06—11。收修改穑日期：2009—08—10中国空问科学技术2010年2月式中行为参考星的轨道角速度；z，Y，z为相对位置矢量在Hill坐标系中的投影⋯；分别为追踪星

5、各轴上的控制加速度。令x=■，y，z，主，j，乏]T，H=Ea。，q，口：]T，则Hill方程可写作：X—AX牟Bu其中，A==03n20O0lO0·——2nO(2)根据悬停的要求，希望在给定时间内追踪星在目标星轨道坐标系内的位置保持不变，即X=xr=[z丁，Yr，2T’，0，0，03T，其中p丁=[z下，Y11，ZT]T为期望悬停的位置，z1-，YT，2r分别为期望悬停位置在Hill坐标系中的位置分量。令e=X--XT，则吾=x—X1'=AX+Bu—Ae+Bu+AXr，系统的误差方程可写为吾=Ae+B品(3)式中五=比+H了’

6、=H+[3以2zT，0，一咒22r]。悬停控制问题可转换为将实际位置和标称位置偏差控制为零的问题，即将系统方程(3)描述的状态e控制为零。考虑在[岛，f，]时间内，使悬停误差和消耗的燃料最优，则可以将悬停控制问题归结为最优控制问题。取二次型性能指标函数为J=告队PTQe+五7瓜)d￡(4)厶’’0式中Q为6×6正定常矩阵，R为3×3正定常矩阵，分别为控制误差和控制量的加权系数。线性二次型调节器(LQR)控制的性能依赖于加权矩阵Q和R的选择，事实上最优性是针对当前加权矩阵而言的。其中Q主要决定控制精度和动态效果，而R主要决定了控制

7、的能量消耗。如果控制成本很低，则可以选择较小的R及较大的Q，从而获得较好的动态控制效果，称为廉价控制；而如果控制本身成本较大，则需要引入较大的R以降低控制成本，称为昂贵控制川。实际中要通过合理选择Q和R以使控制性能和能耗得到较好的平衡。对于悬停控制而言，显然更关心控制能量消耗，同时由于控制目标是使相对位置和相对速度稳定于期望值，因而对控制的动态过程要求较低，显然是一种昂贵控制，需要选择较大的加权矩阵R。因此这里取Q=diag(1，1，1，1，1，1)，R----diag(1010，1010，1010)。反馈增益矩阵为K=R一1B

8、TP(5)式中P通过求解Ricaati代数方程得到：PA+A7P—PBR-1BTP+Q=0(6)最优控制率如下：口=五一HT=一＆一Hr一一K(X—Xr)一E3．221’，0，一押22丁]T(7)对照文献[1-4J可知，在无误差的情况下一口T相当于开环控制方法给