基于网络同步的航天器编队飞行姿态控制方法

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1、46中国空间科学技术2010年2月ChineseSpaceScienceandTechnology第1期基于网络同步的航天器编队飞行姿态控制方法毕鹏罗建军张博(西北工业大学航天学院，西安710072)摘要航天器编队飞行需要协同控制系统进行统一的协调管理，以实现协同工作。文章将网络同步控制理论应用于航天器编队飞行姿态控制，以提高航天器编队飞行姿态控制的协同性。首先，采用修正的罗德里格斯参数描述航天器姿态动力学；然后，基于网络同步控制算法，设计航天器编队飞行的非线性姿态协同控制律；考虑成员航天器间姿态变化的差异，采用混合控制技术，设计航天器编队飞行混合控制策略。仿真结果验证了控制方法和控制律的有效

2、性，并且相比单一反馈机制，混合控制具有更好的控制品质。关键词协同控制编队飞行网络同步姿态控制航天器1引言多个航天器通过编队协同工作不仅能降低任务的T作成本，而且具有更强的鲁棒性，甚至能够完成以往单个航天器不能完成的任务。在编队飞行过程中，多个航天器协作以实现功能重组，并不等同于单个航天器功能的简单叠加，航天器之间必须互相协调以完成空间任务，因此，多航天器协同控制是航天器编队飞行控制的重要特征n]。以往针对航天器编队飞行的控制研究大多都是以两个航天器的相对运动为基础展开的，通过以主航天器为基准建立坐标系，将编队协同控制问题简化为单个航天器控制问题，控制系统设计过程中，很少考虑航天器之间的协同控制

3、，这显然不能满足编队飞行任务要求的协同性。本文探讨网络同步控制理论在航天器编队飞行姿态协同控制中的应用。网络同步控制理论以分析系统内部成员间信息耦合关系为基础，着重于研究成员控制的协同性。考虑N个节点的网络系统，第i个节点的班维状态变量是x；(￡)，通过与相邻节点的通信和协作(依靠节点和周围邻居的状态来决定该节点的控制输入)，使得节点的状态变量置(￡)均收敛于期望的同步状态勋(￡)，即系统在控制律作用下渐近收敛于期望状态空间，则称网络系统达到同步[2]。如果将每个航天器看作是网络中一个节点，航天器之间的感知和通讯关系看作为边，那么航天器间的信息流网络就可以由一个简单网络图来表示，从而可以在网络

4、同步体系下研究航天器编队飞行的协同控制。本文基于网络同步控制理论，研究航天器编队飞行姿态的协同控制。首先，采用修正的罗德里格斯参数描述航天器姿态动力学；然后，引用网络同步控制理论，设计航天编队飞行姿态协同控制律，并对其有效性进行了仿真验证。2基于MRP的航天器姿态动力学采用修正的罗德里格斯参数(MRP)描述航天器体坐标系相对于惯性坐标系的姿态，可以避免收穑日期：2009—04一01。收修改穑El期：2009—06—08!!!旦笙；旦生垦窒囹型堂垫查4Z求解复杂的约束方程，并且没有冗余参数，同时能够减小奇异性影响，其具体表示为q=(口f，吼，qk)T=etan导式中口为欧拉轴；0为绕e轴的旋转角

5、，q；，qj，q。为MRP的三轴分量。采用MRP表示的姿态运动学方程为毒一Z(q)to(1)式中z(q)一丢(J(学)+钾7+P㈤)㈣反对称矩阵函数ro—qkqJ]P(q)=Iqk0一qi(3)L-qJqi0J航天器的姿态动力学模型‘33为蛔+∞×1to=d。+d。，。(4)式中J为转动惯量，如果取航天器本体坐标系为主轴坐标系时，有I—diag(J，，J：，I。)；∞一[埘，，∞：，∞。]为航天器相对于惯性系的转动角速度；d。和d。。分别为航天器所受的控制力矩和干扰力矩。联立方程(1)和(4)可以得到拉格朗日方程形式的航天器编队飞行姿态动力学模型：Hi(口i)i，+Q。(口。，a)a。一霸+'

6、ge。。i(5)式中i为航天器编号，i=1，2，⋯，ri；ff=Zr(qi)匝，f；‰．f=Z-7(吼)de州；Hi(qi)=Z-7(qi)JZ-1(嚎)；Q(qi，毒)=--Z．TIiZ叫ZZ-1--Z-。P(Ii∞i)z～，且满足E(吼)--ZQi(gf，毒；)为反对称矩阵。姿态协同控制律设计航天器编队飞行系统因为在空间位置、队形和任务分配等方面有约束，每个航天器为了实现和保持任务要求的与其他航天器的相对姿态，相应的姿态控制应参考其邻居航天器的运动状态。所以，在设计航天器的控制器时必须考虑与其他航天器的耦合和协同关系，这一协同控制问题与网络同步控制问题类似。下面应用网络同步控制理论设计航天

7、器编队飞行的协同控制律。根据网络同步控制理论，编队成员航天器的一致性算法为L4]即f一一ai(抖1)r置(￡)～Xd(￡)-1->：ai[工i(￡)一■(￡)](6)。。冠式中i一1，2，⋯，，l；勘(￡)为航天器的期望状态；A=[口i]为加权的邻接矩阵[5]。在航天器编队内部信息流网络图中只考虑航天器间信息交换，不考虑航天器自身信息反馈，即a；=0，另外若航天器i能够获取航天器J的信息，则a。=