输入受限的编队卫星分布式姿态协同控制

《输入受限的编队卫星分布式姿态协同控制》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、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2011年2月第1期输入受限的编队卫星分布式姿态协同控制张保群宋申民陈兴林(哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心，哈尔滨150001)摘要研究了跟踪时变参考姿态情况下的编队飞行卫星协同控制问题，提出了一种非线性饱和的分布式协同控制器。在控制器中引入了一个双曲正切函数向量，保证了连续控制输入的有界性。采用Barbalat引理对姿态跟踪情况下闲环协同控制系统的稳定性进行了分析，得出了系统渐近稳定的结论。通过对各种条件下的仿真，验证了算法的

2、有效性，并确立了编队卫星信息流图的拓扑结构和控制器增益等因素与暂态过程中相对姿态保持性能的关系。关键词李雅普诺夫稳定性输入受限姿态协同控制编队飞行卫星DOI：10．3780／j．issn．1000-758X．2011．01．0031引言编队飞行任务的成败，很大程度上取决于多颗卫星主体能否进行有效地协同控制。按控制策略产生的位置分类，卫星协同控制可分为集中式和分布式。后者相对于前者而言，具有较强的容错性，单个卫星失效不会导致整个系统不稳定[1]。因此，近年来，编队卫星分布式控制越来越引起国内外学者的关注和研究Ll-5J

3、。分布式协同控制问题主要涉及位置协同和姿态协同。在姿态协同控制中，往往要求编队卫星实现整体姿态机动的同时，动态响应过程中卫星成员之间的相对姿态能得到一定程度上的保持，这一点对于空间干涉仪等编队系统尤为重要b叫]。基于行为方式的控制思想能用来有效地处理这一姿态协同问题‘3叫]，它可以将整体绝对姿态跟踪和相对姿态保持——两个目标都引入到控制器的设计中，进而产生两目标的加权控制器来实现姿态协同控制。这种控制策略的编队卫星姿态协同控制问题，近年来已经得到了广泛的研究，如文献[1-53。但是，现有文献多是考虑控制量不受限的理想

4、情况，而实际的姿态控制系统中，执行结构能提供的控制力矩往往是有限的，即存在输入受限问题。如果不考虑输入受限而设计控制器，那么实际闭环系统的稳定性就不一定总能得到保证。文献[53虽然针对控制饱和的自适应姿态协同问题进行了研究，但是饱和协同控制器中无相对角速度反馈，这降低了暂态中相对姿态保持的性能；由于LaSalle不变原理只适用于自治系统的局限性[6]，文中稳定性证明也需进一步研究。考虑到上述问题，本文所作的主要工作就是针对卫星编队系统的姿态协同控制问题，研究输入受限协同控制器的设计及其Lyapunov稳定性分析，并进

5、行相应的仿真验证。国家863计翅资助项日(2009AA7045004)收稿日期：2010-08-31．收惨改稿13期：2010-11-04中国空间科学技术2基础理论2．1编队卫星姿态控制模型编队中任意第i(i---1，2，⋯，以)颗卫星的姿态控制模型为奇f：1E(E(q。)∞f(1)口f_。·)∞f(1)J，函。=一∞i．，。03，+t(2)式中q；一[石；q¨q¨q∽]T是第i颗卫星的体坐标系F；相对于惯性坐标系F，的姿态四元数；标量部分石。和矢量部分0。=[q¨qm吼．。]T满足约束弓；+qA_T，q_A。=1；

6、∞。∈R3。·是R相对于F．的角速度在F；系下的表示；霸∈R3X1为作用于第i颗卫星的控制力矩；正定对称阵J；∈R3×3表示第i颗卫星的转动惯量阵i符号mf表示由∞，=■¨帆z龇s]T生成的如下反对称矩阵萨k一≯三1㈤、【-∞；．：∞。．。0J式(1)中№护k矧㈤R相对于Ft的旋转矩阵为R(qi)=(弓；一a●0。)1。。。+2a。毒丁一2弓，盆i并且，R(q。)一J。。。甘a，=o。。，。1。×。为3X3的单位矩阵，os×l为3X1的零向量。记编队卫星期望的姿态运动四元数为q。=[弓。盆j]T，相应的期望坐标系为凡

7、，∞。∈R“1是F。相对于F，的角速度在F。系下的表示，则．1qd=音E(劬)∞d厶定义F；相对于F。的误差四元数和误差角速度分别为6qi=[艿面；艿qAT，]T=q：。qi艿∞。=03i—R(8qi)∞d(5)期望角速度式中们为口。的共轭四元数l·表示四元数相乘，足(8q，)为F：相对于F。误差旋转矩阵。则由式(1)、(2)及(6)～(8)可得，第f颗卫星的姿态跟踪误差运动学与动力学方程为．1艿口。=÷E(8口t)8∞f‘．Ji艿南f={(J．∞i)。一(R(8qi)∞d)。Jf一．，。(R(8q。)∞d)×)艿∞

8、i一．，。R(8口f)面d一(J它(8q‘)∞d)×J，R(艿gf)∞d+f‘定义第f颗星体系F；相对于第．『颗星体系F‘的相对姿态四元数口o=口，。口i1则有毒。一告E(口o)∞o式中∞。-='03，一R(q。)∞，lR(qo)是F：相对于F0的旋转矩阵。(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)18中国空间科学技术2．2基本图谱理论把