服务航天器超近程逼近失控目标的建模与控制

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1、2015年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology服务航天器超近程逼近失控目标的建模与控制靳永强张庆展康志宇唐平(上海宇航系统工程研究所，上海201109)摘要为在轨服务任务中实施对失控目标的安全逼近与对接，开展了服务航天器超近程逼近过程的动力学与控制研究。通过引入描述相对运动构型变化的期望相对位置矢量和位置误差矢量，推导了一种新颖的相对轨道误差动力学模型；考虑对接机构安装位置及安装误差，并结合相对姿态动力学模型，建立了逼近过程的相对姿态轨道耦合动力学模型；根据逼近路径约束条件，设计了逼近过程的期望相对位置矢量导引律；基于相对姿态轨

2、道一体化耦合动力学模型，设计了考虑未知有界干扰的自适应时变滑模控制律并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的全局稳定性。仿真结果表明，设计期望相对位置矢量导引律的方法能够实现逼近过程的相对运动构型变化控制，并且所设计的自适应时变滑模控制律具有较高的控制精度。关键词失控目标；控制；期望相对位置矢量；服务航天器DOI：10．3780／i．issn．1000—758X．2015．03．0011引言对在轨失控航天器捕获后进行维修、补给或移除等在轨服务，可延长其工作寿命、提升工作能力或减少空间碎片数量，对航天产业可持续发展具有重要意义。失控航天器的对接口随其姿态翻滚而运动，这对服务航天器超

3、近程逼近至对接过程的建模和控制提出了新的要求。在此过程中，需控制服务航天器沿被动对接口方向逼近目标航天器，同时跟踪其姿态变化使主动对接口指向被动对接口。显然，此过程中服务航天器相对目标的位置和姿态是耦合的[1]。相对姿态和轨道耦合动力学与控制是伴随空间服务操作任务需求提出的。文献[2]推导了编队飞行中从星相对主星的姿轨耦合动力学模型；文献[3]研究卫星编队飞行控制时，提出期望编队点概念，并推导了相对轨道误差动力学模型[3]。针对姿态稳定目标的超近程逼近控制研究较多卧书]。逼近失控目标时，服务航天器相对目标的位置和姿态需同时跟踪目标的姿态进行快速变化，提高了对建模与控制要求。文献[7

4、]采用e—D次优控制方法研究了挠性航天器接近自由翻滚目标的控制问题，未考虑系统干扰和不确定性；文献[8]采用模型预测控制方法研究了与旋转平台交会对接的位置控制问题，未考虑姿态部分；文献[9]采用0一D次优控制算法设计了航天器间近距离相对运动的姿轨耦合控制器，但在动力学建模中未考虑对接口的安装位置；文献[10]针对与失控目标交会对接近距离段的姿轨耦合控制问题，设计了干扰自适应滑模控制器。时变滑模控制克服了常规滑模控制在系统相轨迹到达滑模面之前鲁棒性弱的缺点，在航天器控制中有广泛研究[1。”j。上海市科学技术委员会(13QBl404000，14xDl423400)资助项目收稿日期：20

5、15一01—22。收修改稿日期：2015～03—10；生旦窒囹型堂垫查!!!!堡!旦文章综合考虑在轨服务操作任务的多样性及对相对运动构型需求的灵活性，在动力学建模中引人描述相对运动构型变化的期望相对位置矢量和位置误差矢量，推导了一种新颖的相对轨道误差动力学模型。该模型将航天器间的相对位置跟踪控制分解为描述相对位置变化的期望相对位置矢量设计和由位置误差矢量描述的二阶系统调节器设计。根据逼近路径的约束条件，设计逼近过程的期望相对位置矢量导引律，控制航天器间的相对运动构型变化。考虑对接口安装位置及误差，推导了非点质量模型的相对姿轨一体化耦合动力学模型。基于此耦合动力学模型，设计了考虑未知

6、有界干扰的自适应时变滑模控制律，并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的全局稳定性。仿真中考虑工程实际需求，设置了逼近停泊点和启动缓冲过程。2问题描述为便于问题描述，引入相对轨道坐标系O，一研y。zT：原点0，位于目标的质心，O，zT为地心与目标质心连线背离地心方向，O傅T为目标轨道面正法向，O。∥T与0悄T、0TzT形成右手坐标系。0，一zj了iz，和O。，一矾执‰分别表示地心惯性坐标系和航天器本体坐标系‘1。。2．1相对轨道动力学模型服务航天器与目标之间的位置关系如图1所示。图1中，r，、r。分别为目标、服务航天器的位置矢量；z。和6。分别为服务航天器的期望相对位置矢量和位置

7、误差矢量，用于描述航天器间的相对运动构型变化。则有关系式r。一r。+ld+6，(1)结合惯性系中轨道动力学与式(1)，在相对轨道系中建立相对轨道误差动力学模型为艿，=一南学6，一2n)举占，一∞学(m学6，)一7d～南罕Zd一2∞举id一∞学(∞举fd)一口(r≯，．。一r■r。)+RT。‰。一“Tt+d。(2)式中∞T=[oo，。]1为相对轨道系相对惯性系的角速度，其中厂。目标的真近点角；∞举为∞T的反对称矩阵；岸为地球引力常数；Rn为服务航天器本体系到相对轨道系的