[发明专利]一种绳系卫星的预定时间姿态稳定控制方法

说明书

本发明公开了一种绳系卫星的预定时间姿态稳定控制方法，首先根据修正罗德里格参数法建立绳系卫星的姿态动力学方程；其次，为了实现对卫星内部转动惯量不确定性和外界环境干扰因素的鲁棒抑制，设计了具有预定时间收敛的滑模面；在此基础上，为保证绳系卫星系统姿态的快速收敛，同时摆脱传统控制方案收敛时间对系统初始状态的依赖性，本发明结合滑模和预定时间控制方法，设计了新型预定时间姿态控制器。该控制器不仅能保证绳系卫星在外界干扰和内部转动惯量不确定性存在的情况下具有强鲁棒性，而且系统姿态可以在预定时间内收敛到0附近的小范围内。

技术领域

本发明属于航天器控制技术领域，具体涉及一种绳系卫星的预定时间姿态稳定控制方法。

背景技术

与传统航天相类似，空间绳系卫星在执行在轨操控、燃料加注等任务之前，需要卫星姿态能够实现快速稳定，因此卫星姿态稳定控制近年来得到众多学者的关注。专利CN105373167B考虑了绳系卫星姿态稳定过程中存在的颤振、系绳摆动和外界干扰等因素，设计了误差具有渐近收敛特性的控制方案；专利CN113485404B为进一步提升系统响应速度和收敛精度，设计了有限时间姿态跟踪控制方案。尽管在以上控制方案作用下，卫星系统误差能够实现快速收敛，但收敛时间却依赖于初始状态。在实际工程中，由于传感器噪声和外界扰动因素的影响，系统初始状态往往无法精确获取，这限制了上述控制方案在实际工程中的应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种绳系卫星的预定时间姿态稳定控制方法，首先根据修正罗德里格参数法建立绳系卫星的姿态动力学方程；其次，为了实现对卫星内部转动惯量不确定性和外界环境干扰因素的鲁棒抑制，设计了具有预定时间收敛的滑模面；在此基础上，为保证绳系卫星系统姿态的快速收敛，同时摆脱传统控制方案收敛时间对系统初始状态的依赖性，本发明结合滑模和预定时间控制方法，设计了新型预定时间姿态控制器。该控制器不仅能保证绳系卫星在外界干扰和内部转动惯量不确定性存在的情况下具有强鲁棒性，而且系统姿态可以在预定时间内收敛到0附近的小范围内。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：根据修正罗德里格参数法构建绳系卫星姿态动力学方程：

其中为绳系卫星的修正罗德里格参数，其与系统姿态角度之间关系表示为其中和分别为欧拉转动矢量和角度；为姿态角速度，G(σ)为雅克比旋转矩阵，其表达式为代表卫星的转动惯量矩阵，其中J₀和△J分别为标称值和内部不确定性；和分别代表控制输入力矩和连续有界的干扰力矩；

定义新的坐标变量x₁＝σ,根据新的坐标变量，绳系卫星的动力学模型描述为：

其中为已知确定项，为外部干扰和内部转动惯量不确定性所组成的总和不确定性；

假设1：系统总和不确定性H是有界的，即存在常数H_d使得||H||≤H_d；

引理1：对于任意系统其中若存在常数0β1,T_p0以及李雅普诺夫函数V_p(y)使得下式成立：

则系统原点为预定时间收敛，即系统轨迹在预定时间T_p内收敛到系统平衡点；此外，若存在未知有界函数0Φ∞使得下式成立：

则系统被称为实用预定时间收敛，并且系统轨迹能在T_p'内收敛到如下区域内：

其中收敛时间T_p'满足

步骤2：定义如下的预设时间滑模面：