复杂通信拓扑构型下卫星编队姿态同步控制.pdf

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1、博士学位论文复杂通信拓扑构型下卫星编队姿态同步控制ATTITUDESYNCHRONIZATIONCONTROLOFSATELLITEFORMATIONUNDERCOMPLEXCOMMUNICATIONTOPOLOGY2018年6月国内图书分类号：V554+.3学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学博士学位论文复杂通信拓扑构型下卫星编队姿态同步控制博士研究生：王智鹏导师：孙兆伟申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V554+.3U.D.C:620Disse

2、rtationfortheDoctoralDegreeinEngineeringATTITUDESYNCHRONIZATIONCONTROLOFSATELLITEFORMATIONUNDERCOMPLEXCOMMUNICATIONTOPOLOGYCandidate：WangZhipengSupervisor：SunZhaoweiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAst

3、ronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要姿态同步控制是卫星编队飞行的重要研究内容，在合成孔径成像和空基合成孔径雷达干涉测量等许多实际编队任务中发挥着重要作用，近几十年来受到了越来越多国内外学者的关注。卫星处于复杂的空间环境中，受到外部干扰等影响，且由于卫星在轨运行过程中，温度的变化、燃料的消耗、有效载荷的运动等因素会引起卫星量和转动惯量的变化，这些都会对卫星编队系统的控制精度及稳定性等方面产生影响。基于卫星结构和航天任务的日益复杂和

4、多样化，传统控制方案不再适合现有航天任务。本文基于图论理论、滑模控制理论和自适应机制等，针对不同情况下卫星编队系统姿态同步控制问题开展研究。论文的主要内容如下：考虑外部干扰、转动惯量不确定、通信时延等情况下的卫星编队系统有限时间姿态同步控制问题。基于图论理论、基于行为的控制策略和有限时间控制理论，设计了一种基于有向图的快速滑模姿态同步控制器，并利用Lyapunov理论证明了闭环系统可在有限时间内收敛到平衡点。在时变通信拓扑结构下，采用由四颗卫星组成的卫星编队系统进行仿真以验证算法的正确性和有效性，并将其与现有控制器相比较，说明了快速滑模控制器可提供高精度收敛、快速响应、较强鲁

5、棒性和抖振抑制等控制性能。最后通过对仿真结果进行分析，给出了相关设计参数对控制性能影响的一般规律。针对编队卫星姿态同步控制，考虑无参考信息、外部干扰、通信受限等因素的影响，设计了无需角速度反馈的姿态输出反馈同步控制器。首先，基于四元数，设计了输出反馈控制器，该控制器可以使编队飞行的姿态在没有主星、没有外部参考姿态、存在外部干扰的情况下以有限的通信拓扑结构实现卫星编队飞行的姿态同步。并利用Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的渐近稳定。在此基础上，在有向通信拓扑条件下，研究了卫星编队无领导者一致性问题，在观测器—控制器框架内，设计了鲁棒分布式输出反馈控制方案，在存在时延、模型

6、不确定等情况下，首先设计了分布式滑模观测器，使得系统可在线估计角速度信息，并基于观测到的信息，设计分布式自适应控制器。设计的控制策略可保证卫星编队可达到加权平均一致，并通过Lyapunov稳定性理论证明一致性误差的收敛，最后进行数值仿真验证上述控制算法的有效性。为减少编队卫星中控制输入更新频次，降低系统有限的能量消耗，本文引入了事件驱动控制机制，在存在转动惯量不确定的情况下，针对固定通信拓扑的情况，在Euler-Lagrange系统框架下，设计了基于事件驱动的自适应控制器，使得卫-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文星编队系统的姿态角和姿态角速度渐近趋于一致。在此基础上，针对时

7、变通信拓扑的情况，引入辅助变量，设计了对于时变信息拓扑更为有效的姿态同步控制算法，使得卫星编队系统在时变通信拓扑结构下姿态角度和姿态角速度趋于一致。关键词：卫星编队；姿态同步；有限时间控制；分布式控制；事件驱动控制；自适应控制-II-AbstractAbstractAttitudesynchronizationcontrolisoneimportantresearchcontentofsatelliteformationflight,playsanimportantroleinmanyactualfor