直连式三体绳系卫星姿态鲁棒最优跟踪控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252012V01．33No．4679-687ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cn陆xb@buaa．edu．Cn文章编号：1000-6893(2012)04—0679—09直连式三体绳系卫星姿态鲁棒最优跟踪控制黄静，刘刚，马广富’哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：针对存在参数不确定性以及外部有界干扰的直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题，提出了一种分布式鲁棒最优控制方法。该方法首先针对单体绳系卫星姿态模型．在不考虑参数不确定性

2、和干扰的条件下。应用Ham—ilton-Jacobi—Bellman方程设计了最优控制器；接着，考虑到实际系统存在参敷不确定性和干扰。采用自适应与鲁棒误差积分方法在线学习参数不确定性和有界干扰，与最优控制器结合设计了鲁棒最优控制器，使闭环系统满足了性能指标达到最小的要求。并应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的渐近稳定性。进一步考虑到绳系卫星系统的运动同步性，将单体绳系卫星姿态控制器设计扩展至直连式三体绳系卫星姿态系统，设计了分布式鲁棒最优控制器。最后在MATLAB／Simulink平台上进行了仿真，验证了方法的可行性与有效性，表明其具有潜在的应用前景。关麓词：绳系卫星；姿态控制}不

3、确定系统；鲁棒控制；最优控制中图分类号：V448．2文献标识码：A绳系卫星系统(TetheredSatelliteSystem，TSS)是指由2颗或2颗以上的卫星通过系绳相连所构成的系统，在大气测量、空间电动力学试验、微重力环境试验、合成孔径雷达，以及有效载荷的再入轨等诸多方面具有其独特的优势[1]，成为了近年来国内外研究的热点。目前，美国国家航空航天局(NASA)已经提出的深空绳系卫星编队任务宇宙结构进化的亚毫米探测器(SPECS)工程正在研究进行，目的是建立空问望远镜，计划使用1km长的基线但不需要大量的燃料推进系统．因此绳系卫星编队是一个很好的选择。SPECS计划L23由部署在日一地系统

4、厶点附近的Halo轨道绳系编队完成，变基线干涉测量可通过系绳展开／回收控制获得，通过旋转绳系系统获得密集覆盖的观察面。相比于一般的卫星编队飞行，绳系卫星编队能更精确地测量它们的相对位置，提高姿轨控的精度，增加系统稳定性‘引。绳系卫星研究已有数十年发展历史，文献[42和文献[sJ较详细地介绍了绳系卫星发展的情况。目前国内外阻s]对于近地轨道指向最低点的TSS以及旋转TSS的动力学与控制研究，已经相对完善和成熟，并有望在新的系绳试验中得到应用。鉴于绳系卫星相对自由编队方面的优势以及平动点在深空探测中的独特优势，人们又逐渐转向了基于平动点附近编队，主要用于深空探测的干涉测量，要求可变的基线以及整个系

5、统的旋转以覆盖整个观测平面。Gates[，3在其研究报告中假设各卫星可当做质点，系绳为无质量刚性杆，推导出深空干涉仪的具有任意结构的绳系卫星运动和系绳张力方程。Kim和Hall[I“11]基于Gates推导的系统动力学方程，通过引入运行在日一地系统收稿日期：2011-07．21；逅修日期：2011．08—17；录用日期：2011—08·29；网络出版时问：2011·09—0611：26网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／11．1929V20110906．1126008．hlmIDOI：CNKI：11-1929／v，201109061126008基金项目：国家自然科学基金

6、(61174200)}高等学校博士学科点专项科研基金(201023021100312*通讯作者．Tel，；0451-86402108E-mailIrna#@hit．e由，∞硪再格式

7、HuangJ．LluG．MaGF．Nonlinearoptima／attitudetfacl‘lngcontrolofuncertainthree-lnlinetetheredsatellitesystems．ActaAero．nauticaetAstrc帆auticaSinica-2012．33(4)：679-587．董静．翩嘲．马广1．1连武三俸绳幕卫星姿态

8、棒最优跟踪控靓?兢空学援．2们2．33‘4)；679

9、-687．航空学报Apr252012Vol33No，4L2附近的SPECS任务，提出了基于输入一状态反馈线性化方法的渐近跟踪方法，采用绳长控制方法，使TSS始终保持顺势平衡状态。对于绳系卫星编队，需要精确控制星与星之间的相对位置和姿态以指向相同的惯性目标[I引，因此姿态动力学和控制近年来得到广泛关注E13-17J，但是这些研究都是只考虑了重力梯度、地球轨道的卫星系统，而对于TSS中系绳平台的姿态控