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《應(yīng)用虛擬結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星編隊(duì)飛行自適應(yīng)協(xié)同控制》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、2015年6月第3期中國空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology應(yīng)用虛擬結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星編隊(duì)飛行白適應(yīng)協(xié)同控制黃勇1李小將2’3楊業(yè)偉1李志亮1(1裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京101416)(2裝備學(xué)院航天裝備系，北京101416)(3裝備學(xué)院激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101416)摘要針對衛(wèi)星編隊(duì)飛行協(xié)同控制存在質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性及外部擾動(dòng)的問題，提出了一種應(yīng)用虛擬結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星編隊(duì)飛行自適應(yīng)協(xié)同控制方法。首先，通過對虛擬結(jié)構(gòu)模型的描述，建立了虛擬結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量
2、與編隊(duì)衛(wèi)星期望狀態(tài)之間的表達(dá)式；其次，設(shè)計(jì)了編隊(duì)衛(wèi)星和虛擬結(jié)構(gòu)的位置、姿態(tài)自適應(yīng)協(xié)同控制器，通過在虛擬結(jié)構(gòu)控制器中引入編隊(duì)衛(wèi)星的狀態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)了編隊(duì)信息至虛擬結(jié)構(gòu)的反饋，并采用Barbalat引理證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對有界擾動(dòng)的抑制；最后，以三星編隊(duì)協(xié)同軌道機(jī)動(dòng)和空間指向性偏轉(zhuǎn)為例對所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對編隊(duì)衛(wèi)星質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的自適應(yīng)估計(jì)，使得編隊(duì)衛(wèi)星位置和姿態(tài)控制誤差最終趨近于零，驗(yàn)證了所提方法的有效性。關(guān)鍵詞協(xié)同控制；自適應(yīng)；虛擬結(jié)構(gòu)；不確定性；有界
3、擾動(dòng)；衛(wèi)星編隊(duì)DOI：10．3780／i．issn．1000一758X．2015．03．0101引言目前，衛(wèi)星編隊(duì)飛行協(xié)同控制策略主要以主從結(jié)構(gòu)、行為結(jié)構(gòu)和虛擬結(jié)構(gòu)協(xié)同控制為主[1]，每種控制策略各有特點(diǎn)。其中，主從結(jié)構(gòu)和行為結(jié)構(gòu)編隊(duì)飛行協(xié)同控制策略在星間的相對運(yùn)動(dòng)控制方面優(yōu)勢明顯，但卻不利于對編隊(duì)整體行為的控制。而虛擬結(jié)構(gòu)編隊(duì)飛行協(xié)同控制策略僅需要通過控制虛擬結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)編隊(duì)控制的目的，易于對編隊(duì)整體行為進(jìn)行描述和控制[2咱]。文獻(xiàn)[3—5]引入編隊(duì)信息到虛擬結(jié)構(gòu)的反饋提升了編隊(duì)飛行的穩(wěn)定性和
4、魯棒性。文獻(xiàn)[4]中引人的多級(jí)虛擬結(jié)構(gòu)分布式控制思想，使得每個(gè)虛擬結(jié)構(gòu)中又包含有多個(gè)虛擬結(jié)構(gòu)，有利于編隊(duì)衛(wèi)星的在軌擴(kuò)充和撤離。然而，上述文獻(xiàn)研究對象均集中于深空環(huán)境中的編隊(duì)飛行，采用的衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型為簡單的二階積分模型。而針對深空環(huán)境中編隊(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的控制器并不可簡單地用于近地軌道編隊(duì)衛(wèi)星，需考慮地球引力、外界干擾甚至質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的不確定性對衛(wèi)星位置和姿態(tài)的綜合作用。因此，近地軌道空間中的虛擬結(jié)構(gòu)編隊(duì)飛行協(xié)同控制問題還有待于探討和研究。本文針對近地軌道編隊(duì)飛行，考慮衛(wèi)星質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的不確定性，分別對
5、編隊(duì)衛(wèi)星和虛擬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置、姿態(tài)自適應(yīng)協(xié)同控制器，同時(shí)證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對有界擾動(dòng)的抑制。最后，以編隊(duì)整體平移和空間指向性偏轉(zhuǎn)為例仿真驗(yàn)證了方法的有效性。2問題描述2．1軌道動(dòng)力學(xué)模型近地軌道衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)系下的軌道動(dòng)力學(xué)方程可以表示為‘6]收稿日期：2014一07—30。收修改稿日期：2014一】O—0776中國空間科學(xué)技術(shù)2015年6月}z—V：，m五一一]『筆角百r：+，z+dz(1)式中優(yōu)。為衛(wèi)星i的質(zhì)量；r，和1l，：為衛(wèi)星i在地慣系中的位置；，井口矗。分別為衛(wèi)星i所受的控制力和空間攝
6、動(dòng)力；肛為地球引力常數(shù)；J
7、，．，lJ表示向量，．i的歐式范數(shù)。2．2姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型剛體衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程‘63為J，∞：一一∞：×J，∞：+f：+f：(2)式中J。為衛(wèi)星i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；∞：為衛(wèi)星i相對于地慣系的角速度；f，和f，為衛(wèi)星i所受的控制力矩和干擾力矩。由單位四元數(shù)表示的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程啪為毒。=÷(g。。J。×。+g釜)∞。，a。一一÷g乏∞i厶式中礙，一[q沁?q：。]T一[q，，q：。q，。q：。]7為衛(wèi)星i相對于地慣系的姿態(tài)四元數(shù)，由矢量部分q。7和標(biāo)量部分q：。組成；叉乘算子口凳
8、表示口。的斜對稱矩陣‘5
9、。2．3虛擬結(jié)構(gòu)模型若將一顆衛(wèi)星視為在慣性系中運(yùn)動(dòng)的剛體，則該剛體中各點(diǎn)的絕對位置會(huì)發(fā)生變化，但同一剛體中不同點(diǎn)之間的相對位置是一定的。若將該剛體中的某些點(diǎn)以衛(wèi)星取代，且將剛體虛擬化后，則這些相對位置彼此固定的衛(wèi)星便會(huì)組成一個(gè)形似剛體的衛(wèi)星編隊(duì)。如上所述，虛擬結(jié)構(gòu)模型如圖l所示：坐標(biāo)系(0一XyZ)為地慣系；三角形的頂點(diǎn)代表三個(gè)編隊(duì)成員，各成員本體系固聯(lián)于成員質(zhì)心；若將三星編隊(duì)整體等同于一：個(gè)虛擬剛體，并在虛擬質(zhì)心處建立一個(gè)參考系F，F(xiàn)運(yùn)動(dòng)，則整個(gè)編隊(duì)隨之而動(dòng)。根據(jù)上述對虛擬
10、結(jié)構(gòu)模型的描述，結(jié)合科里奧利相對運(yùn)動(dòng)理論[8]，可得到由虛擬結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量表示的編隊(duì)成員期望狀態(tài)表達(dá)式：圖1虛擬結(jié)構(gòu)模型示意Fig．1Schematicdiagramofvirtualstructure，．?(￡)一rF(￡)+RoF(￡)rdF(￡)'，?(￡)一vF(￡)+ROF(￡)v冬(￡)+∞F(￡)x(R。F(￡)，．dF(￡))q?(￡)一口F(￡)眨多q知(￡)∞?(￡)一∞F(￡)+RoF(￡)∞dF(￡)(3)式中r?、v?、q；和∞?
