[发明专利]一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法

权利要求书

1.一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1)建立反作用飞轮故障以及安装偏差的数学模型；

步骤2)以姿态误差四元数理论为基础，建立深空探测器姿态控制系统模型；

步骤3)分析反作用飞轮的不确定性，具体内容为：

对反作用飞轮的部分失效故障、偏差故障以及安装偏差进行重新分析与定义，将深空探测器的姿态动力学模型重新定义为如下所示：

其中，M′为新安装偏差矩阵，E′为新效率矩阵，D′为新干扰矩阵；

步骤4)设计快速终端滑模面，具体内容为：

所设计的快速终端滑模面为：S＝ω_e+k₁q_ev+k₂sig(q_ev)^r，其中，滑模面参数k₁,k₂＞0，0＜r＜1；

函数sig(q_ev)^r的定义为sig(q_ev)^r＝[|q_e1|^rsgn(q_e1),|q_e2|^rsgn(q_e2),|q_e3|^rsgn(q_e3)]；

步骤5)分析系统的总不确定性，具体内容为：

在深空探测器姿态控制系统中，存在反作用飞轮不确定性、来自太空环境以及探测器内部的不良干扰，通过分析，得出系统的总不确定性如下：

其中，G_e＝diag(|q_e1|^r-1,|q_e2|^r-1,|q_e3|^r-1)，d_all为系统的总扰动，包含了转动惯量不确定性以及外部不良干扰；

步骤6)设计自适应快速终端滑模控制器，具体内容为：

当反作用飞轮单轴的最大安装偏差角度不超过16.535度时，姿态容错控制器如下：

其中，σ,τ∈R^3×3为正定对角矩阵，各估计参数的更新方式如下所示：式中，c₀,c₁,c₂＞0为常数；

参数δ₁与δ₂的定义分别由下式给出：

2.根据权利要求1所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：

所述模型为：τ＝M(Eu+Δu)，其中，u∈R^3×1为姿态控制系统需要的指令控制力矩，τ∈R^3×1为反作用飞轮实际作用于姿态控制系统的控制力矩，M∈R^3×3为安装偏差矩阵，E∈R^3×3为失效故障下的效率矩阵，Δu∈R^3×1为偏差故障下的偏差力矩。

3.根据权利要求2所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤2)的具体内容为：

所建立的模型如下所示：

姿态运动学模型为：

姿态动力学模型为：

其中，姿态误差四元数q_e＝[q_ev^T q_e4]^T＝[q_e1 q_e2 q_e3 q_e4]^T，表示姿态机动需要转过的角度；矩阵Q_e＝q^×_ev+q_e4I，q^×_ev为q_ev的反对称矩阵，I∈R^3×3为单位矩阵；角速度差ω_e＝ω-ω_d，表示深空探测器在当前姿态ω与期望姿态ω_d时的角速度之差；ω^×为ω的反对称矩阵；转动惯量矩阵J包含标称部分J₀与不确定部分ΔJ，即J＝J₀+ΔJ，D为未知外界干扰力矩。