[发明专利]基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法和系统

说明书

本发明一种基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法及系统，方法包括：建立多航天器之间的相对运动的坐标系，进而得到抓捕航天器的相对位置运动模型、相对姿态运动模型和基于超二次曲面的人工势场模型；构建固定时间收敛的相对位置控制的扩张状态观测器；结合基于超二次曲面的人工势场模型得到相对位置控制的非奇异固定时间终端滑模控制律；构建固定时间收敛的相对姿态控制的扩张状态观测器；结合基于超二次曲面的人工势场模型得到相对姿态控制的非奇异固定时间终端滑模控制律；采用控制律实施抓捕。该方法将其与固定时间非奇异滑模控制律相结合，以保证抓捕者对目标抓捕过程中的任务时间约束以及控制精度要求。

技术领域

本发明属于空间非合作目标抓捕领域，特别涉及一种基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法和系统。

背景技术

随着近年来空间技术的迅速发展，自主在轨服务(OOS)技术也得到了快速地发展。人类进行了一系列空间在轨自主服务技术实验以验证其可行性，如空间站在轨组装，在轨合作目标对接，在轨故障卫星维修等，其中合作目标的空间对接、姿态与轨道保持技术、在轨维修、在轨组装技术等都是目前已较为成熟的技术。在传统航天的单航天器执行多任务的模式下，随着在轨服务任务的需求不断提高，卫星等航天器的功能也不断增加，为了追求高可靠性和多功能性，其研发成本、研制周期与风险也随之增长。然而在实际情况下，一些造价高昂的在轨卫星，由于火箭故障、卫星自身器件故障、外部空间环境影响或是空间碎片撞击等原因，导致其不能到达预期使用寿命，短时间内就失去其使用价值，导致大量研发资金损失。与之相比，小型航天器具有小卫星造价低、灵活性高、覆盖面积广、可替换性好、且可任意组合等优点，能够更好地完成在轨搭建、碎片抓捕等高灵活性空间任务。但是对单一小卫星而言，存在功能单一、推力有限、计算能力有限等问题，导致其应用场景受限，因此空间多航天器在轨服务成为了最新研究热点。空间多航天器在轨服务是指采用多个小型卫星以编队或集群的形式共同完成任务，通过自由组合与多卫星协作使小卫星编队能发挥出比单一大型卫星更全面的性能，而且可靠性更高，成本更为低廉。空间多航天器在轨服务可广泛应用于在轨组装、在轨维修等常用领域，也可以用于空间非合作目标的辨识、捕获，宇宙观测，应急通信等领域，拥有广泛的应用前景。

对于空间非合作目标的抓捕问题，由于非合作目标的本身故障而丧失机动能力导致其高度不可控性，因此目标通常会受到各种摄动和扰动影响而处于翻滚状态。而利用传统的大型航天器，由于其体积大，灵活性差，面对空间低速翻滚的非合作目标的抓捕问题需要更大的安全冗余与更高精度的控制方法。与之相比，采用多个小型航天器编队或集群协同抓捕非合作目标拥有更高的可靠性及灵活性，引起了研究者的关注。

基于不同的编队策略，很多学者研究了包括航天器协同控制、避障、编队重构和编队保持在内的多种行为方法。蔡光斌在文献《具有随机多跳时变时延的多航天器协同编队姿态一致性》中，基于有向图设计了一种可消除多跳变时延影响的多航天器编队姿态跟踪控制律，解决了在网络环境中的航天器编队在跳变时延条件下的姿态一致性问题。在无角速度信息，并存在外界扰动和参数不确定性的情况下，周健在文献《复杂约束下的编队姿态有限时间协同控制方法》中利用扩张状态观测器对系统的角速度及扰动进行估计，并提出一种有限时间终端滑模控制律。关启学在文献《无角速度测量和饱和输入条件下航天器编队姿态有限时间跟踪控制》中在无角速度测量和饱和输入条件下，针对航天器编队的姿态跟踪问题，提出一种基于干扰观测器的终端滑模有限时间控制律。针对航天器编队的姿态一致性问题，隋维舜在文献《多航天器系统分布式固定时间输出反馈姿态协同跟踪控制》中针对角速度信息不可测条件下的多航天器系统姿态协同跟踪控制问题，提出一种基于积分滑模的分布式固定时间姿态协同跟踪控制方法。然而对于空间非合作目标的抓捕问题，现有研究均没有考虑到任务时间约束以及观测器的观测误差收敛时间约束。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于扩张状态观测器的固定时间多航天器编队抓捕方法及系统，该方法将其与固定时间非奇异滑模控制律相结合，以保证抓捕者对目标抓捕过程中的任务时间约束以及控制精度要求。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：