基于细胞卫星的航天器姿态接管控制方法研究

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相对于传统卫星,细胞卫星具有标准化、可重构以及可面向在轨服务的优点,近年来受到了广泛关注。航天器姿态接管控制是细胞卫星的一种新的应用场景,将批量的细胞星附着于目标航天器表面代替其失效的姿态控制系统进行工作,进而可以重复利用目标航天器上的重要部件。本文以递阶控制的方法给出了航天器姿态接管问题的解决方案,先由控制器细胞星生成上级控制指令,再通过星间信息交互完成控制分配,使执行机构细胞星获得下级控制指令。生成上级控制指令的过程中,本文分别采用量化控制机制与事件触发控制机制,解决了细胞星间通信受限下的航天器姿态跟踪控制问题。首先,采用量化控制机制,对于执行机构正常工作的情况,以鲁棒控制的方法处理量化误差和外界干扰,设计了一种基于双曲正切函数的三层结构控制律;对于执行机构故障的情况,将量化误差与执行机构故障转化为控制系数不确定问题,设计了一种基于动态环增益函数的自适应滑模控制律,两种量化控制方法保证了不同情况下的航天器姿态跟踪控制能力。然后,采用事件触发控制机制,对于角速度信息可用的情况,利用预设的收敛边界构造了两种新的函数并设计了自适应滑模控制律,使跟踪误差滑模面函数能够渐进收敛到预设的边界内;对于角速度信息不可用的情况,利用切比雪夫神经网络对系统未知非线性与事件触发误差以及外界干扰之和进行估计,设计了一种不需要系统模型信息的输出反馈控制律,使航天器在陀螺损坏时仍能保证一定的姿态控制能力。在生成下级控制指令的过程中,给出了一种分布式的控制分配策略,解决了批量执行机构细胞星的控制分配问题。通过相邻细胞星间的信息交互,就可以完成控制分配并得到下级控制指令。在保证控制分配精度的前提下,该分配策略能够根据上级控制指令的大小动态选择不同输出能力的细胞星进行工作,还可以减小同类型执行机构细胞星上反作用飞轮角动量的离散程度。相关的数值仿真验证了以上控制方法的有效性。
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