面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法 |
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申请号 | CN202311775074.8 | 申请日 | 2023-12-21 | 公开(公告)号 | CN117864429A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
申请人 | 上海宇航系统工程研究所; | 发明人 | 刘建彪; 肖余之; 徐峰; 李鹏; 祝强军; 郭晶; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种面向微小 航天器 抵近探测任务的相对运动自适应控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,将抵近探测对象视为目标航天器,将微小航天器视为服务航天器,构建两者之间的相对轨道动 力 学模型;步骤2,根据抵近探测任务要求设计全流程标称飞行轨迹,包括一些关键 悬停 点、悬停点之间转移轨迹和转移时间的参数;步骤3,将相对轨道动力学模型和标称飞行轨迹分别采用 状态空间 进行表示;步骤4,将标称飞行轨迹视为参考模型,将相对轨道动力学模型视为被控对象,运用自适应控制理论SAC设计相对运动自适应 控制器 。本发明在控制对象存在建模不确定性项、未知干扰以及控制能力有限等影响因素下,仍有良好的控制效果。 | ||||||
权利要求 | 1.一种面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法技术领域[0001] 本发明涉及空间在轨服务领域,尤其涉及面向微小航天器抵近探测任务过程中的相对运动控制方法。 背景技术[0002] 空间资源日益紧张的形势下,在轨服务是解决航天器在轨运行过程中出现的各类故障和意外情况、航天器失效零部件更换以及燃料加注等问题的必备手段。然而在轨服务具有系统复杂、要素繁多、高度敏感等特点,再加上太空环境的特殊性,使得其在工程实践中开展面临重重阻力。对空间目标进行抵近观测,可弥补地面观测成像信息的不足,是获取目标在轨特征与状态信息的重要手段,同样也是开展精细化在轨服务的必要前置阶段。 [0003] 抵近观测是指一个航天器在另一个航天器的近距离范围内形成比便于观测的相对运动轨迹,实现对该航天器的特征与状态有目的的、持续有序的观测与监视,从而了解和掌握该航天器的外部形状、运动状态、机动意图以及故障现象等信息,可为空间在轨服务提供信息支持与保障。 发明内容[0004] 本发明解决的技术问题是:针对微小航天器抵近探测过程对控制系统的高精度、强鲁棒需求,基于简单自适应控制控制架构,提出了一种新颖的标称轨迹规划与相对轨道控制联合设计策略,设计了一种具有高精度、强鲁棒性特点的自适应控制器。 [0005] 本发明的技术方案是: [0006] 一种面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法,其特征在于,包括以下步骤: [0007] 步骤1,将抵近探测对象视为目标航天器,将微小航天器视为服务航天器,构建两者之间的相对轨道动力学模型; [0008] 步骤2,根据抵近探测任务要求设计全流程标称飞行轨迹,包括一些关键悬停点、悬停点之间转移轨迹和转移时间的参数; [0009] 步骤3,将相对轨道动力学模型和标称飞行轨迹分别采用状态空间进行表示; [0010] 步骤4,将标称飞行轨迹视为参考模型,将相对轨道动力学模型视为被控对象,运用自适应控制理论SAC设计相对运动自适应控制器。 [0011] 进一步的是,所述步骤1中,具体过程包括: [0012] 将基于代数法推导的相对动力学方程通过惯性坐标系中轨道动力学做差,并表示在目标航天器LVLH轨道系中便获得相对动力学方程的非线性形式: [0013] [0014] 式中:下标t和s分别代表目标航天器和服务航天器,θ表示目标航天器的的真近点角,μ为地球引力常数, [0015] 忽略目标航天器和服务航天器之间的摄动差,同时在近圆轨道假设下,并通过对重力场的一阶近似得到下述相对运动方程,即CW方程: [0016] [0017] 式中:n为目标航天器的平均角速度。 [0018] 进一步的是,所述步骤2中,根据抵近探测任务要求设计全流程标称飞行轨迹包括:标称飞行轨迹的设计考虑到技术特性、任务要求以及安全性限制的众多约束因素,设计为直线平移和椭圆绕飞两种形式,同时为使得分段轨迹之间平滑过渡,在关键点引入悬停模式。 [0019] 进一步的是,所述步骤2中,对于始末位置固定的直线平移轨迹设计采用多项式插值原理,将标称轨迹的数学描述表示为相对位置l、相对速度 与时间相关的多项式函数: [0020] [0021] 式中,an、an‑1、...、a1以及a0表示n次多项式的插值系数, [0022] 对于n次多项式的插值系数的确定,需要至少n+1个方程,在边界信息l(t0)=l0和l(tf)=lf之外,引入相对位置l的各阶导数构造剩余n‑1个边界条件以使得多项式的插值系数唯一确定。 [0023] 进一步的是,所述步骤2中,所述引入相对位置l的各阶导数构造剩余n‑1个边界条件包括 [0024] 进一步的是,椭圆绕飞轨迹设计与所述直线平移轨迹设计方法基本相同,区别在于椭圆绕飞轨迹设计中将绕飞角度θ及其各阶导数作为插值变量,插值多项式系数确定过程与直线平移相同。 [0025] 进一步的是,所述步骤3中,将相对轨道动力学模型和标称飞行轨迹表示为状态空间表达式包括: [0026] 相对轨道动力学模型表示为相对位置Δr和相对速度Δv的状态空间表示达式: [0027] [0028] 将标称飞行轨迹表示为相对运动矢量X和 的状态空间表达式: [0029] [0030] 进一步的是,所述步骤4中,具体过程包括: [0031] 基于SAC理论,式(4)表示被控对象想要实现对式(5)表示参考模型渐进跟踪,则其控制输入表示为: [0032] [0034] [0035] [0036] [0037] 式中,Γe、Γx和Γu决定自适应性的矩阵系数,σ用于消除外界扰动对控制增益的影响。 [0038] 有益效果: [0039] 本发明针对在轨航天器的相对运动建模与控制问题,设计了相对运动自适应控制方法,通过实施例表明,该控制方法在控制对象存在建模不确定性项、未知干扰以及控制能力有限等影响因素下,仍有良好的控制效果。附图说明 [0040] 图1为本发明的面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法的流程图; [0041] 图2为惯性系中绝对运动与目标轨道系中相对运动示意图; [0043] 图4为对本发明所设计的自适应控制器进行验证的仿真系统框架示意图; [0044] 图5为追踪器在目标器LVLH轨道坐标系下的运动轨迹; [0045] 图6为追踪器运动状态随时间变化关系; [0046] 图7为追踪器的控制量随时间的变化关系; [0047] 图8为自适应控制器控制误差随时间变化关系。 具体实施方式[0048] 以下将结合图1~图8对本发明的一种面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法作进一步的详细描述。 [0049] 图1为本发明的面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法的流程图。如图1所示,本发明提供了一种面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法,该方法包括如下步骤: [0050] 步骤1,将抵近探测对象视为目标航天器,将微小航天器视为服务航天器,构建两者之间的相对轨道动力学模型; [0051] 所述步骤1中,目标航天器与服务航天器之间的相对轨道动力学模型由代数法推导所得。图2为惯性系中绝对运动与目标轨道系中相对运动示意图,如图2所示,基于代数法推导的相对动力学方程是研究相对运动制导和控制的经典模型,通过惯性坐标系中轨道动力学做差,并表示在目标航天器LVLH轨道系中便可获得相对动力学方程的非线性形式: [0052] [0053] 式中:下标t和s分别代表目标航天器和服务航天器,θ表示目标航天器的的真近点角,μ为地球引力常数。 [0054] 忽略目标航天器和服务航天器之间的摄动差,同时在近圆轨道假设下,并通过对重力场的一阶近似可以得到十分简洁的相对运动方程,即CW方程: [0055] [0056] 式中:n为目标航天器的平均角速度。 [0057] 式(2)是式(1)的特殊情况,后续设计针对式(2)开展。 [0058] 步骤2,根据抵近探测任务要求设计全流程标称飞行轨迹,包括一些关键悬停点、悬停点之间转移轨迹和转移时间等参数; [0059] 所述步骤2中,标称飞行轨迹的设计涉及技术特性、任务要求以及安全性限制等众多约束因素,通常可以设计为直线平移和椭圆绕飞两种形式,同时为使得分段轨迹之间平滑过渡,可在关键点引入悬停模式。 [0060] 对于始末位置固定的直线平移轨迹设计可以采用多项式插值原理,将标称轨迹的数学描述表示为相对位置l、相对速度 与时间相关的多项式函数: [0061] [0062] 式中,an、an‑1、...、a1以及a0表示n次多项式的插值系数。 [0063] 对于n次多项式的插值系数的确定,需要至少n+1个方程,而可以用的边界信息仅有l(t0)=l0和l(tf)=lf,因此需要引入相对位置l的各阶导数构造剩余n‑1个边界条件以使得多项式的插值系数唯一确定,如 等等。 [0064] 椭圆绕飞轨迹设计与直线平移轨迹设计方法基本相同,区别在于椭圆绕飞轨迹设计中将绕飞角度θ及其各阶导数作为插值变量,插值多项式系数的确定过程与直线平移相同。 [0065] 步骤3,将相对轨道动力学模型和标称飞行轨迹表示为状态空间表达式; [0066] 进一步的,所述步骤3中,将相对轨道动力学模型和标称飞行轨迹表示为状态空间表达式,其中: [0067] 相对轨道动力学模型可以表示为相对位置Δr和相对速度Δv的状态空间表示达式: [0068] [0069] 将标称飞行轨迹表示为相对运动矢量X和 的状态空间表达式: [0070] [0071] 步骤4,将标称飞行轨迹视为参考模型,将相对轨道动力学模型视为被控对象,运用自适应控制理论(SAC)设计相对运动自适应控制器。 [0072] 所述步骤4中,结合简单自适应控制理论(SAC)控制系统框架,将标称飞行轨迹视为参考模型,将相对轨道动力学模型视为被控对象,设计航天器相对运动控制器,图3为基于SAC理论的控制器框架示意图,如图3所示,其具体过程中: [0073] 基于SAC理论,式(4)表示被控对象想要实现对式(5)表示参考模型渐进跟踪,则其控制输入可以表示为: [0074] [0075] 式中,ey表示受控对象与参考模型的误差,xm表示参考模型的状态,um表示参考模型的输入信号,Ke、Kx和Ku分别表示为关于ey、xm和um的时变增益矩阵,表示为如下形式: [0076] [0077] [0078] [0079] 式中,Γe、Γx和Γu决定自适应性的矩阵系数,σ用于消除外界扰动对控制增益的影响。 [0080] 下面结合具体实施例介绍本发明的应用过程: [0081] 图4为对本发明所设计的自适应控制方法进行验证的仿真系统框架示意图。搭建如图4所示的仿真系统框架对本发明所设计的自适应控制方法进行验证,仿真验证过程采用RK‑4对J2摄动方程进行数值积分方法用来模拟航天器轨道动力学,积分步长为0.05s;采用绝对位置速度解算的相对位置速度来模拟追踪器对目标器的相对测量信息;控制系统的2 2 控制周期设计为1s,控制加速度限幅‑0.003m/s~0.003m/s。 [0082] 初始时刻追踪器位于目标器同轨后方500m处,两者的初始轨道六根数分别为: [0083] 目标航天器:a=6778.140km,e=0.001,i=42.000°,Ω=123.536°,ωT=69.000°,fT=298.467°。 [0084] 服务航天器:a=6778.140km,e=0.001,i=41.999°,Ω=123.536°,ωT=69.000°,fT=298.463°。 [0085] 标称轨迹设计为后方500m至后方200m直线逼近、后方200m定点悬停、200m快速绕飞以及前方200定点悬停,四段分别用时1000s、200s、1000s和200s。通过采用三次多项式对标称轨迹进行插值便可得到参考的输入信号。 [0086] SAC控制器参数设计为Γe=[I3 I3]×e‑8,Γxm=[I3 I3]×e‑10,Γum=[I3 I3],σ=0.0001,其中I3为3x3的单位矩阵。此外为减少SAC控制器的自适应调节时间,选取了系统稳定后的 以及 的值作为Ke(t)、Kx(t)以及Ku(t)等增益矩阵的初始值,具体参数如下式所示: [0087] [0088] [0089] [0090] 基于以上仿真初始轨道条件和控制系统参数开展仿真验证,图5给出了追踪器在目标器LVLH轨道坐标系下的运动轨迹。如图5所示,在相应控制器的作用下,追踪器能够实现对目标器逼近和绕飞观测任务。图6给出了追踪器运动状态随时间变化关系。如图6所示,在相应控制器的作用下,追踪器运动轨迹与所设计的标称轨迹高度吻合。图7给出了追踪器的控制量随时间的变化关系。如图7所示,追踪器的控制量能够应对工程实际中执行机构的输出饱和特性,具备工程实施可行性。图8给出了自适应控制器控制误差随时间变化关系。如图8所示,在相应控制器的作用下,追踪器真实飞行状态和标称状态误差较小,表明该控制方法具备工程应用可行性。 [0091] 本发明的上述面向微小航天器抵近探测任务的相对运动自适应控制方法中,运用简单自适应控制理论,提出了一种新颖的标称轨迹规划与相对轨道控制联合设计策略,设计了一种具有高精度、强鲁棒性特点的自适应控制器,并通过具体实施例对控制器性能进行验证,表明该控制器在控制对象存在建模不确定性项、未知干扰以及控制能力有限等影响因素下仍有良好的控制效果。 [0092] 以上实施例仅用于举例说明本发明的内容,除上述实施方式外,本发明还有其它实施方式,凡采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。 |