[发明专利]一种航天器编队防避撞六自由度协同控制方法

说明书

本发明公开了一种航天器编队防避撞六自由度协同控制方法，包含：S1，确定航天器主从式编队的六自由度运动的完整数学模型，并将相对位置的动力学模型转换为与航天器之间距离相关的动力学模型；S2确定航天器编队防避撞六自由度预设性能函数，并进行误差模型转换，并确定滑模变结构六自由度协同鲁棒控制律。本发明将滑模变结构控制技术、预设性能控制相结合，控制器设计利用预设性能函数的优势，兼顾了系统的暂态和稳态性能，满足了系统的防避撞要求；滑模变结构控制，保证系统在外扰作用下，具有一定的鲁棒干扰抑制性能；实现了考虑具有外界干扰和防避撞约束的航天器相对姿态和相对位置的六自由度高精度协同控制。

技术领域

本发明属于非线性控制系统鲁棒控制技术领域，涉及一种航天器编队六自由度协同控制方法。

背景技术

航天器编队飞行因其结构灵活、功能强大、可靠性高、生命周期长及发射风险低等优点，已经成为航天控制领域近年来研究的热点。航天器编队飞行中，多个航天器之间形成特定的编队构型，通过星间信息交互，相互作用，协同工作，以类似一个虚拟单体航天器的方式来完成空间任务。整个编队系统在执行一些复杂的编队任务时，例如深空干涉仪、合成孔径雷达等，要求编队中的各个航天器不仅达到整个编队的轨道、姿态要求(绝对期望姿态、轨道)，同时要求各航天器间的相对姿态、相对位置满足一定的约束，达到指定的一致性要求(如构型不变、姿态一致，波束同步等)，由此便涉及分布式系统的协同控制问题。

与单个航天器任务相比，航天器编队飞行面临的挑战是在维持固定的航天器相对距离的同时，保持精确的姿态协同。一方面在航天器编队构型建立和保持时，需要采取控制策略避免航天器之间的碰撞。另一方面，在保持编队重构的同时，需要获得较高的相对位置和相对姿态精度。

在具有外界干扰和防避撞约束条件下的近地轨道超紧密航天器构型控制时，需要考虑航天器编队的六自由度的协调控制。

目前，考虑具有外界干扰和防避撞约束条件下的航天器编队构型控制问题，大多数只考虑相对位置控制，而针对六自由度的协同控制问题，几乎都未在控制器设计过程中考虑系统的暂态和稳态性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，发明一种航天器编队防避撞六自由度协同控制算法，在具有外界干扰和防避撞约束条件下，基于预设性能控制和滑模变结构控制方法，实现航天器编队相对姿态和相对位置的六自由度高精度协同控制。

预设性能控制(PPC)是当前控制界的研究热点之一，其优势在于保证系统稳定的基本前提下，可同时兼顾系统的暂态和稳态性能。该方法能够预先设计状态量的收敛轨迹边界，而该边界约束又能够通过非线性映射函数进行无约束化处理。本发明将预设性能控制与滑模控制方法相结合，针对航天器编队这类具有外界扰动的严格反馈非线性系统，提出一种非线性系统预设性能控制器设计方法，根据任务需求，设计各协同状态量的收敛轨迹边界，保证系统暂态和稳态性能满足预先设定的要求，同时保证系统具有一定的鲁棒干扰抑制性能。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方式是：一种航天器编队防避撞六自由度协同控制算法，步骤如下：

(1)确定航天器编队相对姿态和相对位置六自由度数学模型；

(2)转换编队航天器相对运动数学模型，为了保证系统满足防避撞的状态约束要求，在控制器设计之前，将相对位置动力学模型转换为与航天器之间距离相关的动力学模型；

(3)确定航天器编队防避撞六自由度预设性能函数并进行误差模型转换；

(4)确定滑模变结构六自由度协同鲁棒控制律，使得闭环系统是渐近稳定的，实现干扰条件下的航天器编队防避撞六自由度协同控制。

所述步骤(1)中，不失一般性的，进行如下假设：

1)从航天器在飞行期间的质量、转动惯量保持不变；