[发明专利]一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法

说明书

本发明公开了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：1)建立反作用飞轮故障以及安装偏差的数学模型；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；3)分析反作用飞轮的不确定性；4)设计快速终端滑模面；5)分析系统的总不确定性；6)设计自适应快速终端滑模控制器。本发明所达到的有益效果：本方法重新分析定义了姿控系统的干扰与执行器的效率矩阵、安装偏差矩阵以及偏差力矩，有效解决了执行器存在多种不确定性下的耦合问题；不需要地面控制台进行指令传输，能够自主实现姿态的容错控制；具有较强的鲁棒性，较快的收敛速率，而且在故障下依然能够具有较高的姿态控制精度。

技术领域

本发明涉及一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

随着深空探测的快速发展，对深空探测器的姿态控制要求也越来越高。一方面，深空探测器体型庞大，携带的科学仪器繁多复杂，所以其转动惯量势必会存在不确定性；同时，深空探测器工作在恶劣的太空环境中，会不可避免地受到各种各样的未知干扰。这两个原因都会对深空探测器的姿态控制系统产生不良的影响。另一方面，深空探测器的执行器，即反作用飞轮，由于安装工艺的限制与发射过程中强烈的振动作用，会使其偏离期望的安装位置，产生安装偏差；而且反作用飞轮长时间地高负荷运行在恶劣的环境中，很有可能发生各种故障。而反作用飞轮的安装偏差与故障都会导致深空探测器的姿态控制系统性能下降，甚至失去稳定性。因此，需要设计一种能够有效抑制不良干扰、自主实现容错控制、在有限时间内快速收敛的高精度姿态容错控制器。

目前针对此类深空探测器的姿态控制方法的研究已有一些成果。张爱华等人通过一种快速终端滑模的控制方法，解决了执行器存在不确定性的航天器姿态控制问题(Finite-time Fault-tolerant Attitude Vontrol for Over-activated SpacecraftSubject to Actuator Misalignment and Faults.IET Control Theory Appl.,2013,7(16):2007-2020)。胡庆雷等人设计了一种自适应变结构容错控制方法，解决了推力器故障下的刚体航天器姿态控制问题(推力器故障的刚体航天器自适应变结构容错控制.航空学报,2013,34(4):909-918)。肖冰等人设计了一种航天器的姿态跟踪容错控制方法(Attitude Tracking Control of Rigid Spacecraft With Actuator Misalignment andFault.IEEE Transactions on Control System Technology,2013,21(6):2360-2366)。虽然上述控制方法取得了一些成效，但是存在着控制精度不高、能够处理的故障范围较小等缺陷，在实际应用中可能无法满足深空探测器的姿态控制性能要求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，对深空探测器姿态控制系统存在的干扰与执行器不确定性进行了重新梳理与定义，可以处理最大安装偏差角度不超16.535度的安装偏差故障，保证了深空探测器在存在内外部干扰与执行器多重故障情况下的高精度姿态容错控制。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

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；

步骤4)设计快速终端滑模面；

步骤5)分析系统的总不确定性；

步骤6)设计自适应快速终端滑模控制器。