卫星编队飞行相对位置自适应协同控制

针对卫星编队飞行相对位置协同控制问题,基于编队卫星相对运动非线性动力学方程和一致性理论设计了两种自适应协同控制器。首先,在卫星质量不确定和星间信息交互存在通信时延的条件下,设计了一种全状态反馈自适应协同控制器,并证明了该控制策略对空间摄动力的鲁棒性。其次,进一步考虑速度信息不可测的条件下,采用滤波器设计了一种无速度反馈的自适应协同控制器。最后,以编队构型重构为例对两种自适应协同控制器进行了仿真校验。仿真结果表明：两种自适应协同控制器均可有效应用于卫星编队飞行相对位置的协同控制,能够保证编队卫星对各自期望轨迹跟踪的同时暂态保持编队构型的稳定,具有较高的控制精度。     

相对位置和相对姿态耦合的编队控制

考虑卫星编队中从主星的相对位置与相对姿态耦合,对采用输出反馈跟踪控制进行了研究.根据双星编队的控制结构,以及在从星体坐标系中建立的统一形式的相对位置与相对姿态耦舍的误差模型,在无速度与无角速度测量条件下,设计了改进的速度(角速度)滤波器,并给出了输出反馈跟踪控制器模型.仿真结果表明:该法可实现相对位置与相对姿态耦合时卫星编队的输出反馈跟踪控制.     

基于输出反馈的编队卫星姿态同步和跟踪控制

研究了卫星编队无角速度测量信息且采用局部信息交互时的姿态协同控制问题.以四元数为姿态描述手段,采用超前滤波方法重构星体绝对和相对角速度信息,设计了基于输出反馈的分散姿态同步和跟踪控制器.利用Barbalat引理和代数图论等对闭环系统的全局渐近稳定性进行了理论分析和证明.以六星编队为背景的数值仿真进一步验证了算法的有效性.     

带时延和拓扑切换的编队卫星鲁棒协同控制

综合考虑了存在通信时延、拓扑结构切换、参数不确定性和外部扰动等情况下的编队卫星协同控制问题,分别提出了鲁棒位置和姿态协同控制器。采用Lyapunov直接法,通过恰当地选取公共的Lyapunov函数,保证了所设计的位置协同控制器对于通信时延和拓扑切换具有鲁棒性。控制器中设计了一个自适应项,用于在线补偿卫星质量的不确定性。进一步,引入了一个含有时变参数的非线性饱和函数向量项,保证了位置协同控制器对于外部扰动的鲁棒性,并且控制器是连续的。然后,将协同控制器推广到了姿态协同的情况,提出了类似的鲁棒姿态协同控制器。仿真结果表明了本文协同控制方案的有效性。     

考虑控制饱和的编队飞行卫星姿态协同控制

研究了考虑控制输入饱和的编队飞行卫星姿态协同控制问题,提出了一种非线性饱和协同控制器.与单颗卫星输入受限控制中通常选用双曲正切函数不同,引入了一个新的连续可微的非线性饱和函数向量,以保证连续控制输入的有界性,并便于姿态协同系统的稳定性分析.基于闭环姿态协同系统在期望跟踪角速度不同取值情况下属于自主或非自主系统的特点,分别采用LaSalle不变原理和Barbalat引理对不同情况下的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.仿真结果表明,这种非线性协同控制器,既能实现编队卫星的姿态协同,又能确保控制输入的有界性.     

编队卫星姿态的自适应协同控制

研究了无向信息交互条件下的多卫星姿态同步和跟踪问题,分别在模型参数精确已知和存在模型参数不确定性的情形下设计分散式协同控制算法。当模型参数精确已知时,基于滑动模态变量设计的协同控制力矩,实现了编队卫星姿态的同步机动,即保证编队卫星姿态的同步,并同时跟踪期望的时变参考姿态轨迹。当在轨卫星存在模型参数不确定性和常值未知扰动力矩时,提出了一种自适应协同控制律,仍能实现多卫星姿态的同步机动。基于Lyapunov-Krasovskii的分析表明,当星间链路存在任意未知的定常通讯时延时,本文设计的控制器有效。数值仿真算例验证了本文提出的控制算法。     

编队InSAR相对姿态控制

编队InSAR要求较高的相对姿态指向精度和地面观测重合度。根据相对姿态控制要求，提出了编队InSAR相对姿态计算的方法，从而确定从星的期望姿态。在此基础上，设计了两种非全状态反馈控制器及相应的角速度滤波器：半状态反馈控制器和角速度滤波器，输出反馈控制器和滤波器，进行相对姿态控制。数值仿真结果表明两种方法均可满足编队InSAR相对姿态控制要求。     

卫星编队飞行姿态协同输出反馈控制

研究了双星编队飞行系统的姿态协同控制问题。首先考虑在角速度不可测情况下,给出一种分布式姿态协同输出反馈控制方案,并通过李亚普诺夫方法证明了编队飞行系统全
局渐近稳定性。然后在控制输入饱和时给出了另一种输出反馈控制方案。通过在控制方案中引入双曲正切饱和函数,得出只需控制参数的选取满足某一限制条件,就能有效地抑制控制力矩的饱和。最后对给出的算法进行了数学仿真。结果表明,所设计的控制算法是可行的、有效的。     

采用观测器的偏置动量小卫星姿态容错控制

针对偏置动量小卫星的自主飞行问题，提出一种基于不确定项观测器的滑模容错控制方法。应用欧拉-拉格朗日系统的干扰观测方法设计不确定项观测器，对动量轮输出力矩变小、磁力矩器线圈电阻漂移等执行器故障以及小卫星外部环境力矩等不确定项进行估计，理论推导证明该观测器的观测误差一致最终有界(UUB)。基于不确定项观测器的估计值，设计补偿控制项，并与滑模控制器的控制力矩合成实现姿态容错控制。从理论上证明该容错控制方法能够使小卫星姿态快速收敛至滑模面。该容错方法无需做小角度假设，对执行器运行状态信息依赖性低。仿真结果表明，本文建议的容错控制方法具备可行性，实现了对小卫星姿控系统中不确定项的观测估计和容错控制。     

编队飞行卫星的自适应姿态协同控制

研究了双星编队飞行系统的姿态控制问题.在卫星转动惯量参数不确定下,给出两种编队飞行卫星的自适应姿态协同控制算法.第二种自适应协同控制算法,在实现对转动惯量参数的实时辨识的同时,还能够解决控制输入饱和问题.通过李亚普诺夫方法证明了编队飞行系统全局渐近稳定性.最后对给出的算法进行了数值仿真.结果表明,所设计的控制算法实现了编队卫星之间的姿态协同控制,是可行的、有效的.     

一种模型独立自适应姿态跟踪滑模控制器

以一种能够自适应变化的伪转动惯量,基于Lyapunov稳定定理,推导出一种模型独立的航天器自适应姿态跟踪控制律。理论和数值仿真结果表明,与一般情况下需确知模型参数确定性部分的滑模姿态控制律相比,该控制律能够在不依赖于模型参数确定性部分的情况下良好地实现姿态跟踪,并对模型误差的不确定性和外干扰力矩具有一定的鲁棒性。     

Inertia-independent generalized dynamic inversion feedback control of spacecraft attitude maneuvers

The generalized dynamic inversion control methodology is applied to the spacecraft attitude trajectory tracking problem. It is shown that the structure of the skew symmetric cross product matrix alleviates the need to include the inertia matrix in the control law. Accordingly, the proposed control law depends solely on attitude and angular velocity measurements, and it neither requires knowledge of the spacecraft's inertia parameters nor it works towards estimating these parameters. A linear time-varying attitude deviation dynamics in the multiplicative error quaternion is inverted for the control variables using the generalized inversion-based Greville formula. The resulting control law is composed of auxiliary and particular parts acting on two orthogonally complement subspaces of the three dimensional Euclidean space. The particular part drives the attitude variables to their desired trajectories. The auxiliary part is affine in a free null-control vector, and is designed by utilizing a semidefinite control Lyapunov function that exploits the geometric structure of the control law to provide closed loop stability. The generalized inversion singularity avoidance is made by augmenting the generalized inverse with an asymptotically stable fast mode that is driven by angular velocity error's norm from reference angular velocity. Asymptotic tracking is achieved for detumbling maneuvers as the stable augmented mode subdues singularity. If the steady state desired quaternion trajectories are time varying, then asymptotic tracking is lost in favor of close ultimately bounded tracking because the stable augmented mode continues to be excited during steady state phase of response. A rest-to-rest slew and a trajectory tracking maneuver examples are provided to illustrate the methodology.     

航天器姿态控制的一种自适应方法

针对航天器转动惯量参数未知恒定或缓慢时变,以及外部扰动力矩未知恒定或缓慢时变,基于非线性系统的无源性理论,给出了姿态控制的一种自适应方法.事先不需要不确定性的任何信息,控制过程中可根据自适应律给出其估值.理论分析和数值仿真都表明,该方法在保证参数估计误差有界的同时实现航天器对姿态角指令的快速无静差跟踪.     

Decentralized sliding-mode control for spacecraft attitude synchronization under actuator failures

This paper examines attitude synchronization and tracking problems with model uncertainties, external disturbances, actuator failures and control torque saturation. Two decentralized sliding mode control laws are proposed and analyzed based on algebraic graph theory. Using Barbalat׳s Lemma, it is shown that the control laws guarantee each spacecraft approaches the desired time-varying attitude and angular velocity while maintaining attitude synchronization among the other spacecraft in the formation. The first controller is designed in the presence of model uncertainties, external disturbances, and actuator failures. The results are extended to the case with control input saturation in the second controller. Both control laws do not require online identification of failures. Numerical simulations are presented to show the effectiveness of the proposed attitude synchronization and tracking approaches.     

重复使用运载火箭精确回收滑模动态面控制

针对可重复使用运载火箭一子级再入垂直着陆阶段，利用滑模动态面控制(SMDSC)技术设计了一个精确垂直回收控制策略。首先考虑运载火箭的燃料消耗、质心变化及转动惯量摄动等特点，建立运载火箭一子级返回段动力学模型。然后针对范数有界的不确定性和有界连续的未知干扰，设计一个滑模状态观测器和一个自适应参数估计器用于获得其估计值；随后，基于获得的状态估计值和未知参数估计值，设计了一个基于自适应动态面技术的跟踪控制律。最后，通过数值仿真，对比两种不同控制策略下的运载火箭垂直返回姿态角跟踪能力。结果表明，采用本文提出的自适应滑模动态面控制策略具有更好的跟踪效果.     

基于归一化神经网络的航天器自适应姿态跟踪控制

针对以变速控制力矩陀螺（VSCMGs）为姿态控制执行机构的航天器在同时考虑惯性参数和执行机构不确定性情况下的姿态跟踪控制问题,提出了一种基于归一化神经网络的自适应姿态跟踪控制方法。设计一个非线性反馈控制器作为航天器姿态控制的基本控制器,利用归一化神经网络设计补偿控制器,用以在线估计和消除包含系统不确定参数的未知不确定函数的影响,避免了标准自适应控制方法需要进行大量不确定参数估计的缺陷。采用神经网络输入归一化技术,简化了闭环系统复杂的稳定性分析过程。理论分析证明了闭环系统的稳定性和姿态跟踪误差的收敛性。仿真结果表明,所提出的控制方法能满足航天器在惯性参数和执行机构不确定性及外干扰存在情况下的高精度姿态跟踪控制要求。
     

帆板转动时卫星姿态的非线性控制

当帆板转动时，卫星姿态因系统质量特性的改变和帆板驱动力矩的作用而发生扰动，本文采用一种具有鲁棒性的非线性控制方法，实现了高精度的卫星姿态控制。     

图像信息反馈的目标航天器跟踪控制方法

定义目标航天器图像形心与像平面中心为跟踪误差,并将该像平面误差直接引入跟踪控制闭环,提出一种增益切换的目标航天器跟踪PD控制律,在由推力器开关控制特性定义开关函数的基础上,给出PD控制器增益切换策略。由于直接使用目标航天器在像平面中的视觉特征误差量,避免了视觉相机内参数标定和目标航天器位姿信息求解等过程,简化了服务航天器的系统配置,同时控制器增益切换实现对测量误差、推力器偏差、转动惯量偏差以及干扰力矩等多种不确定性因素进行补偿,提高了跟踪控制系统稳定性及抗干扰性能。最后,基于Lyapunov稳定性理论给出控制器参数估算方法,并理论分析了增益切换PD控制律的收敛性,数学仿真表明该控制律能够对复杂机动目标以及考虑多种不确定性因素等情况进行快速跟踪,校验了视觉跟踪控制策略的有效性及对多类型不确定性的鲁棒性。     

转动惯量未知的再入飞行器姿态容错控制

针对升力式再入飞行器再入过程中执行机构发生故障的情况，基于反步法思想，设计了一种无需飞行器转动惯量信息的姿态容错控制律，同时，该控制律能有效地抑制外界干扰。控制律的设计除了给出稳定性证明外，还给出了误差上界与控制参数的关系。以临近空间飞行器X-33为模型进行了数学仿真，结果表明了该控制律的有效性。