编队卫星分布式姿态协同控制研究

摘要

近年来,小卫星编队飞行技术得到广泛的研究,通过对多颗简单小卫星进行编队,系统拥有成本低、性能好以及稳定性高等优势。在一些运用中,有些特定的任务是要通过数颗星之间的姿态一致来实现的。这属于复杂系统的协同控制问题,是多智能体协同控制研究领域的前沿问题。而且,目前大多数的姿态协同控制算法都需要星载转速测量仪,无需角速度测量信息的姿态控制协同算法有广泛的应用前景。因此,编队卫星姿态一致性控制和无角速度姿态协同控制是本文的研究内容。
　　本文首先对课题的数学基础与刚体卫星姿态模型进行简要介绍,包括表示卫星的星间通信关系的图论的知识、对应的各类矩阵的性质、系统稳定的相关理论以及基于修正罗德里格参数的卫星姿态模型和拉格朗日一般动力学方程。
　　其次,基于多智能体一致性理论提出了三种不同情况下的姿态同步算法。将线性系统上的成果应用于非线性的卫星姿态模型系统中,分别实现了星间姿态一致、常值目标姿态跟踪以及控制输入有界下的姿态一致。利用Lasalle不变集等原理分别对这三种算法下的系统进行稳定性分析,证明其全局渐近稳定性,并用MATLAB进行了相应的数值仿真,以验证所设计算法的有效性。
　　最后,利用滑模控制相关理论,提出一种新的无需角速度测量信息的姿态协同控制算法。先对卫星姿态模型进行改写,将姿态模型表示为拉格朗日一般形式下的动力学方程,然后建立一种仅用到姿态信息的有限时间收敛的终态滑模观测器,以估计转速分量的值。利用估计值提出一种新的滑模控制算法,所提出的控制律可以保证在不具备角速度信息的情况下,编队卫星仍可实现姿态同步的目标,且能跟踪上时变的目标姿态。

目录

编队卫星分布式姿态协同控制研究

DISTRIBUTED ATTITUDE CONTROL OF SATELLITE FORMATION FLYING

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的与意义

1.2国外研究现状及分析

1.2.1 国内外小卫星编队飞行研究现状

1.2.2编队飞行姿态协同控制技术发展状况

1.3论文主要内容及文章结构

第2章 编队卫星姿态系统的数学描述

2.1星间信息交互关系表示法

2.1.1图的定义

2.1.2图的连通性

2.2矩阵表达

2.2.1主要记号与定义

2.2.2图的矩阵

2.3系统稳定性判定法

2.4卫星姿态数学模型

2.4.1姿态描述法

2.4.2基于修正罗德里格参数的姿态模型

2.4.3拉格朗日形式的姿态模型

2.5本章小结

第3章 基于多智能体一致性理论的姿态同步算法

3.1多智能体一致性理论基础

3.1.1一致性基本概念

3.1.2一致性问题算法

3.2编队卫星分布式姿态同步算法

3.2.1稳定性分析

3.2.2仿真算例

3.3目标姿态跟踪算法

3.3.1稳定性分析

3.3.2仿真算例

3.4控制有界的姿态一致性算法

3.4.1稳定性分析

3.4.2仿真算例

3.5本章小结

第4章 基于滑模控制原理的姿态同步算法

4.1终态滑模观测器

4.1.1观测器设计

4.1.2收敛性分析

4.2基于滑动模态方法的姿态同步算法

4.2.1控制器设计及稳定性分析

4.2.2仿真算例

4.3本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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致 谢