考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法

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1、考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法，涉及一种航天器轨道交会的增益调度控制方法。本发明为了解决现有航天器轨道交会的控制方法忽略输入饱和与由线性化误差引起参量不确定性而导致的完成航天器轨道交会任务耗时较长的问题，本发明考虑了由线性化误差引起的参数不确定性，赋予其确切含义，建立航天器轨道交会相对运动模型，然后设计航天器轨道交会的增益调度控制器，利用增益调度控制器对航天器轨道交会进行控制，完成交会任务。本发明主要用于航天器轨道交会的控制。【专利说明】考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法【技

2、术领域】 0001本发明涉及一种航天器轨道交会系统的增益调度控制方法。【背景技术】 0002航天器轨道交会是非常重要的飞行操作技术。成功的交会是实现一些高级空间操作，如实现空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型基础设施在轨装配、回收、补给和维修以及国际空间救援服务等的先决条件。航天器交会的轨道控制问题是航天器交会对接技术的重要组成部分之一。在过去的几十年间，航天器的轨道交会控制问题已经得到了广泛的关注。 0003轨道交会要受到总体约束条件，其中推力器所能产生的加速度受到的约束至关重要。这是因为如果根据控制器的设计而得到的加速度超出了推力器所能提供的最大加速度，那么实际系统将不是按照设计的

3、方式运行，这不但降低了交会控制的控制品质，还可能引起不稳定，导致交会任务的失败。 0004航天器圆轨道交会系统的相对运动是通过C-W方程来描述的。一般地，将C-W方程转换为状态空间描述，WX = AX+BU 其中X表示相对位置和相对速度向量，U为控制输入向量。这一描述方法已被广泛应用于解决航天器轨道交会问题中。然而，矩阵A中存在由线性化误差引起的参量不确定性。这些不确定性将降低交会任务的准确性，稳定性和安全性。【发明内容】 0005 本发明为了解决现有航天器轨道交会系统的控制方法忽略输入饱和与由线性化误差引起参量不确定性而导致的完成航天器轨道交会任务耗时较长的问题，进而提出一种考虑线性化误差的

4、空间交会系统的增益调度控制方法。 0006考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法的过程为: 0007步骤1:两航天器在执行交会任务时，一个航天器在轨被动飞行，称为目标航天器；另一飞行器在控制力的作用下作机动飞行，以不同规律飞向目标航天器，它又称为追踪航天器；假设目标航天器运行在半径为R的圆轨道上；为了方便描述，引入目标飞行器轨道坐标系0-，其原点O位于目标航天器的质心，X轴沿着圆轨道半径R的方向，Y轴沿着追踪航天器飞行的方向，Z轴指向轨道平面外与X轴和Y轴构成右手坐标系；轨道坐标系示意图见图1 ;设引力常数 =GM，其中M为中心星体(通常为地球)质量，G为万有引力常数； 则目标飞行器的

5、轨道角速度为 I Rl. 0008首先，定义符号函数和饱和函数: 0009符号函数sign:如果 y O, sign (y) = I ;如果 y O, b e Il，m，向量值饱和函数 sata (.):Rm Rm 定义为 0010【权利要求】1.考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法，其特征在于它包括下述步骤: 步骤1:引入目标飞行器轨道坐标系0-，其原点O位于目标航天器的质心，X轴沿着圆轨道半径R的方向，Y轴沿着追踪航天器飞行的方向，Z轴指向轨道平面外与X轴和Y轴构成右手坐标系；引力常数 = GM,其中M为中心星体质量,G为万有引力常数；目标飞行器的轨道角速度为首先，定义符号函数和

6、饱和函数: 符号函数sign:如果yO, sign(y) = I ;如果y 0, b e I I, m，向量值饱和函数 sata (.):Rm Rm 定义为其中，如果 ab =l,be Il，m,则 sata (.)简写为sat(.)，sat (.)称之为单位饱和函数；Il，m表示整数集合1，2，.，m，Rm表示的是m维状态空间；设追踪航天器相对于目标航天器在X轴，Y轴和Z轴上的相对位置和相对速度分量分别为X，y，z，乂z ; ax，ay和az分别表不在三个坐标轴方向的加速度分量，ax，aY和az分另Ij为推力器在三个坐标轴方向产生的最大加速度分量，且 0表示饱 和水平；令 D = diag

7、X， y, J、a = ax, ay, ajT,可以得到选取相对运动状态向量X = x y z X y if和控制向量U = D_1a,得到目标航天器与追踪航天器的相对运动状态空间描述如式(2)公式(3)中,对在原点进行泰勒展开并保留至1J.阶项，得到将(5)代入中，式表示为 JT = ( + EJ(i)F)X + Bsal(CJ)( 6 ), 公式(6)中其中以及 = min| |, | gamma|, | |； 步骤2:设计航天器轨道交会的增益调度控制器，具体过程如下； 步骤1.1:求解参量Riccati方程(7)ATP+PA-PBBTP+FTF+ Y P = O, (7) 对应的反馈增益

8、为K = -BtP, Y为大于零的实数，代表闭环的收敛速度； 步骤2.2:设计实数集合如(8)所示gamma N = Y 0) Y !,., Y J, O sat( B7Piyll) A,) = (Y?) X(M)1 步骤2.3:设计离散增益调度控制器 令P(Y)是代数参量Riccati方程(7)的唯一对称正定解，且Hh是非负实数；设计如下增益调度控制器式(15)用于完成航天器轨道交会，且椭球集合=Ij包含在闭环系统的吸引域中；增益调度控制器U = Uh的工作时间不超过IV1秒，其中步骤3:在初始相对运动状态向量为X(O)时，增益调度控制器(15)开始工作于航天器轨道交会系统，按照U0 U1

9、一Uh Un的顺序依次作用于式(6)，相对运动状态向量X由最外部的椭球依次进入到内部的椭球，最后进入到最内部的椭球，并最终收敛到平衡点。2.根据权利要求1所述的考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法，其特征在于，步骤3中“在初始相对运动状态向量为X (O) ”对应的Y 的求解过程为: 对于初始相对运动状态向量X(O)，Ytl是非线性方程(17)的唯一解: Pir0Wnr0W0 =I(17) 由于P(Y)关于Y是单调的，非线性方程(17)能够通过二分法进行求解。3.根据权利要求2所述的考虑线性化误差的空间交会系统的增益调度控制方法，其特征在于，步骤3中“增益调度控制器(15)开始工作于航天器轨道交会系统，控制器(15)按照U0 U1 一Uh Un的顺序依次作用于式(6) ”的实现过程为: 设置一个当前变量r，其初值为r = O且相应的控制器为U = U0,如果rN-1，对于每个时刻的相对运动状态向量X (t)，计算如果穸(X)SO，则增益调度控制器U = Ur+1并令r = r+1 ;否则增益调度控制器U =比，相对运动状态向量X由最外部的椭球依次进入到内部的椭球；当增益调度控制器切换到U = Un时，相对运动状态向量X进入到最内部的椭球，并最终收敛到平衡点，控制器不再切换，即无需再对(18)式进行计算。