【摘 要】
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随着太空探索的不断深入和空间技术的快速发展,多个小型航天器组成的航天器编队飞行系统成为一种重要的航天器工作模式。姿态协同控制作为多航天器编队飞行的关键技术,由于其独特的技术优势和广泛的应用前景而备受关注。本文结合航天应用需求,针对多航天器编队飞行姿态协同控制系统存在的角速度反馈信息缺失、系统参数不确定、空间环境干扰、执行机构饱和与故障等问题,深入研究了具有强鲁棒性的多航天器姿态协同跟踪控制算法,主
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随着太空探索的不断深入和空间技术的快速发展,多个小型航天器组成的航天器编队飞行系统成为一种重要的航天器工作模式。姿态协同控制作为多航天器编队飞行的关键技术,由于其独特的技术优势和广泛的应用前景而备受关注。本文结合航天应用需求,针对多航天器编队飞行姿态协同控制系统存在的角速度反馈信息缺失、系统参数不确定、空间环境干扰、执行机构饱和与故障等问题,深入研究了具有强鲁棒性的多航天器姿态协同跟踪控制算法,主要内容和创新点如下:针对存在动态领航者的多航天器编队系统,在编队航天器角速度不可测量且仅有部分跟随航天器能够获得领航者信息的通信拓扑的情况下,提出了一种无角速度反馈的编队航天器姿态协同跟踪控制算法。首先,设计了一种分布式有限时间观测器,实现了在仅有部分跟随者能够获得领航者信息的通信拓扑下对领航者状态的快速准确地观测。进一步,基于系统无源性的设计方法,设计了不依赖于航天器准确系统模型的角速度滤波器,利用滤波器输出信息替代角速度信息,实现了无角速度反馈的分布式编队航天器姿态协同跟踪控制。针对受到未知且时变的外界干扰、转动惯量不确定性以及执行机构饱和影响的编队航天器,研究了其对动态领航者的姿态协同跟踪控制问题,在全部跟随航天器可获得领航者信息的有向通信拓扑下,提出了两种分散式自适应姿态协同跟踪控制算法。首先,基于一致性算法和自适应控制等方法提出了一种分散式自适应姿态协同跟踪控制器,抑制了未知时变且与角速度相关的外界干扰和惯量不确定性的影响,同时引入动态调整函数改善了系统的动态特性,进一步,基于饱和函数设计了一种考虑执行机构饱和的分散式自适应姿态协同跟踪控制器,解决了航天器执行机构输出力矩饱和问题,同时克服了外界干扰和惯量不确定性对系统的影响。针对仅有部分跟随航天器可获得领航者信息通信拓扑下的多航天器分布式姿态协同跟踪控制问题,同时考虑受到未知且时变的外界干扰及转动惯量不确定性等因素的影响,提出了两种分布式自适应姿态协同跟踪控制算法。首先,利用有限时间原理设计了一种新的分布式有限时间状态观测器,可以快速观测领航者状态。在此基础上,针对受外部干扰作用且转动惯量存在不确定性的编队系统,提出了一种分布式自适应姿态协同跟踪控制律,同时引入动态自调整参数矩阵改善系统的动态特性。进一步,考虑到实际航天工程项目对系统稳定快速性的要求,提出了一种基于快速非奇异终端滑模面的分布式自适应有限时间姿态协同跟踪控制方法,实现了编队航天器姿态协同跟踪系统在有限时间内快速稳定。针对常见且发生概率较高的执行机构故障,综合考虑未知且时变的外界干扰及转动惯量不确定性,研究了航天器编队飞行系统的姿态协同跟踪容错控制问题。首先,针对全部跟随航天器可获得领航者信息的通信拓扑,基于自适应、一致性算法及冗余容错等控制方法,设计了一种分散式自适应姿态协同跟踪容错控制器,可以使航天器编队系统状态渐近收敛到平衡点附近的邻域。进一步,考虑仅有部分航天器编队成员可以获得领航者信息的情况以及航天器编队系统对快速稳定性的要求,基于有限时间控制策略,设计了一种分布式自适应有限时间姿态协同跟踪容错控制器,实现编队系统有限时间稳定。最后,考虑到航天器执行机构饱和问题,设计了一种基于饱和约束函数的分布式自适应有限时间姿态协同跟踪容错控制器,进而降低了执行器的保守性,更符合实际工程应用。
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