欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制

《欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJun．252015Vol36No．61995．2004ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：ghkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．Cn欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制黄静，李传江，马广富”哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001摘要：针对存在外部有界干扰和控制饱和的欠驱动直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题，提出了一种分布式非线性控制方法。首先考虑单体欠驱动绳系卫星姿态模型，由于其复杂的非完整动力学特性，应用微分同胚映射的方法

2、先将模型进行转换，进一步基于反步法设计了欠驱动姿态跟踪滑模控制器，并结合抗饱和方法解决了控制受限的问题。然后应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。进一步考虑绳系卫星系统的运动同步性，将欠驱动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，设计了分布式欠驱动非线性控制器。最后进行了数学仿真，验证了本文所设计控制方法的有效性。关键词：绳系卫星；欠驱动系统；姿态控制；鲁棒控制；控制饱和中图分类号：V442．8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)06—1995—10随着NASA提出的深空绳系卫星编队任务一宇宙结构进化的

3、亚毫米探测器(SubmillimeterProbeoftheEvolutionofCosmicStructure，SPECS)工程[1]的研究进行，近年来绳系卫星系统(TetheredSatelliteSystem，TSS)逐渐成为空间科学研究的热点问题。绳系卫星系统是指由系绳连接两颗或两颗以上的卫星所构成的空间飞行器，在空间科学试验、空间探测与成像等诸多方面具有其独特的优势[2]。与传统的卫星编队相比，绳系卫星编队具有特殊的优势：不仅能延长卫星的运行寿命，而且能精确地测量它们的相对位置，提高姿轨控的精度，增加系统的稳定性[3]。在过去的几十年里，国内外研究学者提出

4、了各种各样的绳系卫星的概念，文献[4—5]较详细地介绍了绳系卫星发展的情况以及潜在的研究问题。通过绳系卫星可实现分布式观测、扩大干涉测量仪合成孑L径、扩展监视面积等任务。如何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是观测任务目标中最基本的问题L6]，涉及到一类复杂的非线性姿态动力学与控制。文献[7—9]对近地轨道的绳系卫星姿态动力学与控制进行了研究，但没有考虑对系绳平台的姿态控制。文献[10—11]采用基于同步思想的模型缩减方法针对深空中旋转绳系卫星的系绳平台的姿态分别设计了鲁棒控制器，保证了闭环系统的渐近稳定性。但是这些研究都是基于绳系卫星系统是全驱

5、动的情况。本文主要在文献[11]研究基础上，考虑没有推力器时的欠驱动直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题。欠驱动系统的控制稳定问题对于保障整个系统的正常工作，增加系统的可靠性具有重要的意义，而且由于只采用反作用飞轮作为执行机构来实现控制目标，欠驱动绳系卫星在降低能耗、减轻系统质量、消除推力器对光学器收稿日期：2014—05．28；退修日期：2014—08—15；录用日期：2014—10—23；网络出版时间：2014．11—2411：06网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／10．7527／$1000—68932014．0296．html

6、基金项目：国家自然科学基金(61304005，61174200)*通讯作者．Tel．：0451—86402726E—mail：magf@hitedu．cn戮用格武

7、HuangJ，LiCJ．MaGFNonlinearattitudetrackingcontrolofunderactuatedthree一加linetetheredsatellitefJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015．36(6)：1995-20047黄静，李传江，马广富÷灾驱动直连式三体绳系卫星姿态跟踪控翻[J]．航空学报，20{5。36(6)：t99

8、5-2004．航空学报Jun．252015VoI．36No．6件的污染等方面具有较大优势。但欠驱动系统是具有不可积分约束的本质非线性系统，相比于全驱动绳系卫星姿态控制系统，研究结果相对较少。对于欠驱动系统，近年来国内外采用了各种不同的方法对其控制进行研究[12。1⋯。Spong[1幻采用了部分反馈线性化的方法研究了机械臂的摆起问题，此方法的主要缺点是在控制转化后不能自动地保证系统的零动态稳定性。Olfati—Saber[131提出了一种比较好的模型简化方法，针对几种典型的欠驱动系统模型，将其转化为标准的级联系统，以便进一步使用反步法等需要在严格反馈形式模型基础上