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《應用虛擬結構的衛(wèi)星編隊飛行自適應協(xié)同控制》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在學術論文-天天文庫。
1、2015年6月第3期中國空間科學技術ChineseSpaceScienceandTechnology應用虛擬結構的衛(wèi)星編隊飛行白適應協(xié)同控制黃勇1李小將2’3楊業(yè)偉1李志亮1(1裝備學院研究生管理大隊，北京101416)(2裝備學院航天裝備系，北京101416)(3裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室，北京101416)摘要針對衛(wèi)星編隊飛行協(xié)同控制存在質量、轉動慣量不確定性及外部擾動的問題，提出了一種應用虛擬結構的衛(wèi)星編隊飛行自適應協(xié)同控制方法。首先，通過對虛擬結構模型的描述，建立了虛擬結構狀態(tài)變量
2、與編隊衛(wèi)星期望狀態(tài)之間的表達式；其次，設計了編隊衛(wèi)星和虛擬結構的位置、姿態(tài)自適應協(xié)同控制器，通過在虛擬結構控制器中引入編隊衛(wèi)星的狀態(tài)誤差，實現(xiàn)了編隊信息至虛擬結構的反饋，并采用Barbalat引理證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對有界擾動的抑制；最后，以三星編隊協(xié)同軌道機動和空間指向性偏轉為例對所設計的控制器進行了仿真驗證。仿真結果表明：設計的控制器能夠實現(xiàn)對編隊衛(wèi)星質量和轉動慣量的自適應估計，使得編隊衛(wèi)星位置和姿態(tài)控制誤差最終趨近于零，驗證了所提方法的有效性。關鍵詞協(xié)同控制；自適應；虛擬結構；不確定性；有界
3、擾動；衛(wèi)星編隊DOI：10．3780／i．issn．1000一758X．2015．03．0101引言目前，衛(wèi)星編隊飛行協(xié)同控制策略主要以主從結構、行為結構和虛擬結構協(xié)同控制為主[1]，每種控制策略各有特點。其中，主從結構和行為結構編隊飛行協(xié)同控制策略在星間的相對運動控制方面優(yōu)勢明顯，但卻不利于對編隊整體行為的控制。而虛擬結構編隊飛行協(xié)同控制策略僅需要通過控制虛擬結構即可實現(xiàn)對整個編隊控制的目的，易于對編隊整體行為進行描述和控制[2咱]。文獻[3—5]引入編隊信息到虛擬結構的反饋提升了編隊飛行的穩(wěn)定性和
4、魯棒性。文獻[4]中引人的多級虛擬結構分布式控制思想，使得每個虛擬結構中又包含有多個虛擬結構，有利于編隊衛(wèi)星的在軌擴充和撤離。然而，上述文獻研究對象均集中于深空環(huán)境中的編隊飛行，采用的衛(wèi)星動力學模型為簡單的二階積分模型。而針對深空環(huán)境中編隊衛(wèi)星設計的控制器并不可簡單地用于近地軌道編隊衛(wèi)星，需考慮地球引力、外界干擾甚至質量和轉動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構編隊飛行協(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飛行，考慮衛(wèi)星質量和轉動慣量的不確定性，分別對
5、編隊衛(wèi)星和虛擬結構設計位置、姿態(tài)自適應協(xié)同控制器，同時證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對有界擾動的抑制。最后，以編隊整體平移和空間指向性偏轉為例仿真驗證了方法的有效性。2問題描述2．1軌道動力學模型近地軌道衛(wèi)星在地心慣性坐標系下的軌道動力學方程可以表示為‘6]收稿日期：2014一07—30。收修改稿日期：2014一】O—0776中國空間科學技術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)動力學模型剛體衛(wèi)星姿態(tài)動力學方程‘63為J，∞：一一∞：×J，∞：+f：+f：(2)式中J。為衛(wèi)星i的轉動慣量；∞：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)運動學方程啪為毒。=÷(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虛擬結構模型若將一顆衛(wèi)星視為在慣性系中運動的剛體，則該剛體中各點的絕對位置會發(fā)生變化，但同一剛體中不同點之間的相對位置是一定的。若將該剛體中的某些點以衛(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)星便會組成一個形似剛體的衛(wèi)星編隊。如上所述，虛擬結構模型如圖l所示：坐標系(0一XyZ)為地慣系；三角形的頂點代表三個編隊成員，各成員本體系固聯(lián)于成員質心；若將三星編隊整體等同于一：個虛擬剛體，并在虛擬質心處建立一個參考系F，F(xiàn)運動，則整個編隊隨之而動。根據(jù)上述對虛擬
10、結構模型的描述，結合科里奧利相對運動理論[8]，可得到由虛擬結構狀態(tài)變量表示的編隊成員期望狀態(tài)表達式：圖1虛擬結構模型示意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∞?
