[发明专利]有向通信领航跟随航天器编队简化姿态分布协同控制方法

说明书

本发明提出了一种有向通信领航跟随航天器编队简化姿态分布协同控制方法，首先在单位天球坐标系下描述航天器的简化姿态运动，将简化姿态运动转化为单位天球面上瞄准矢量终点的平动；其次根据一致性理论设计有向通信拓扑下的分布式协同虚拟控制量，确保跟随航天器瞄准矢量收敛到领航航天器瞄准矢量所确定的惯性空间固定指向，然后根据虚拟控制量计算出跟随航天器的理想角速度矢量；之后将跟随航天器的角速度矢量与理想角速度矢量之差作为滑模变量，设计滑模面；最后基于超扭曲二阶滑模控制方法设计跟随航天器的分布式协同控制律。本发明能够在扰动环境下确保有向通信编队的跟随航天器瞄准矢量收敛到在惯性空间固定的领航航天器瞄准矢量，降低编队通信量。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制技术领域，具体涉及有向通信下多航天器编队简化姿态的分布式协同控制。

背景技术

航天器编队能够将传统单个大型航天器的功能分散在若干个小航天器中；小航天器之间通过相互协作能够实现大航天器的功能，并且具有成本低、适应性强、可靠性高等优势。因此，航天器编队是未来航天器发展的重要方向。

航天器编队的姿态一致性对于实现分布式天文观测、分布式合成孔径雷达等技术至关重要。在某些情况下，仅需要使航天器的瞄准矢量指向惯性空间的特定方向而无需进行三轴控制，绕瞄准矢量的旋转运动并不影响航天器的功能，这种只考虑瞄准矢量在惯性空间指向的运动称为简化姿态运动，瞄准矢量的指向即为航天器的简化姿态。简化姿态控制仅对航天器姿态的两个自由度进行稳定或跟踪，不仅可以节省燃料，而且能够避免姿态描述奇异和姿态变量冗余。

随着航天器编队规模的增加，航天器之间的通信将消耗大量的硬件资源，甚至可能导致通信拥堵，使编队失败。而有向通信可以大幅减少航天器之间的通信量，在相同的通信连接下，有向通信的平均通信量只有无向通信量的50％，因此有向通信下的分布式控制协议是未来实现大规模航天器编队基础。

但是由于简化姿态控制中绕瞄准矢量的旋转运动不是完全受控的，导致无法基于传统一致性理论直接利用航天器瞄准矢量误差得到有向通信拓扑领航跟随多航天器编队简化姿态的分布式协同控制协议。

发明内容

为解决传统一致性理论在有向通信拓扑下多航天器编队简化姿态的分布式协同控制方面的局限性，本发明提出一种有向通信领航跟随航天器编队简化姿态分布协同控制方法，在单位天球坐标系下对航天器简化姿态运动进行描述，结合一致性理论和超扭曲二阶滑模控制方法，得到在扰动条件下能够严格确保收敛的有向通信领航跟随多航天器编队简化姿态的分布式协同控制协议，可以在有向通信下保证跟随航天器的瞄准矢量与领航航天器在惯性空间固定的瞄准矢量保持一致。

本发明的技术方案为：

一种有向通信领航跟随航天器编队简化姿态分布协同控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在单位天球坐标系下描述航天器的简化姿态运动，将简化姿态运动转化为单位天球面上瞄准矢量终点的平动；所述航天器编队中包括一个领航航天器和n个跟随航天器，n0；所有编队航天器之间的通信拓扑由图描述，且存在一个有向生成树；

步骤2：根据一致性理论，设计有向通信拓扑下领航跟随航天器编队简化姿态的分布式协同虚拟控制量；

步骤3：基于步骤2所设计的分布式协同虚拟控制量计算跟随航天器的理想角速度矢量；

步骤4：将各个跟随航天器的角速度矢量与理想角速度矢量之差作为滑模变量，构造滑模面；

步骤5：基于步骤4构造的滑模面，采用超扭曲滑模控制方法设计各个跟随航天器的分布式协同控制律。

进一步的，步骤1中得到的瞄准矢量终点的平动公式为：