一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，充分利用了无拖曳卫星姿态 通道不同干扰的特性，可对多源干扰进行同时抑制与补偿，可用于低轨卫星的抗干扰姿态 控制。
【背景技术】
[0002] 无拖曳卫星目前被广泛应用于地球重力梯度场的测量中，高精度的地球重力梯度 场模型可满足地震监测、测绘保障、海洋气象W及资源勘探等的迫切需求，极大地促进我国 灾害预防和经济社会的发展。然而，为了满足无拖曳卫星的测量需求，卫星的姿态控制必须 使卫星本体系高精度地跟踪轨道坐标系。但是，低轨运行的无拖曳卫星不可避免的受到多 通道、多来源的干扰，如包含大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩， 执行机构噪声，惯量不确定性W及未建模动态。因此，要实现高精度的姿态控制，必须设计 具备抗干扰能力的控制器。
[0003] 对于无拖曳卫星的高精度姿态控制问题，很多学者也提出了不同的抗干扰控制方 法，从干扰角度讲，运些方法没有充分考虑无拖曳卫星所受到的多源干扰的影响，例如，没 有考虑转动惯量不确定性W及未建模动态的影响。从控制方法的角度讲，常见的传统姿态 控制算法主要为滑模控制、LQG控制W及Hoc控制。滑模控制具备鲁棒性强、相应快等优势，然 而滑模控制依赖于干扰的范数上界，保守性较大，而且滑模控制带来的抖振现象不利于实 际工程的应用。LQG控制W及压。控制均是典型的干扰抑制方法，都把干扰当作单一的等价变 量，没有充分利用干扰特性。基于干扰观测器的控制(D0BC)可W实现对干扰的估计及补偿， 可W提升系统的鲁棒性及控制精度。而Hoc控制可W对范数有界干扰进行抑制，出控制能够 优化高斯白噪声。因此，要设计理想的抗干扰控制器，必须充分利用无拖曳卫星所受干扰的 固有特性，对不同类型的干扰采取不同的控制方法，借助复合控制方式提升系统的抗干扰 性W及控制精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是:克服现有的针对无拖曳卫星的姿态控制算法只能针对 单一类型干扰、控制精度不高的问题，提出一种同时具备干扰补偿与干扰抑制能力的抗干 扰控制器，其中，D0BC对环境干扰进行估计并补偿，Hoc/也控制可W抑制范数有界干扰，并对 高斯白噪声进行优化。
[0005] 本发明的技术解决方案为：一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，其特征主要 包括W下步骤:首先，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多 源干扰的系统模型；其次，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒Hoc/ 也控制对范数有界干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化;最后，将基于干扰观测器的控制 与鲁棒Hoc/也控制进行复合，构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗 干扰控制器的增益矩阵。
[0006] 具体步骤如下：
[0007] (1)对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的 系统模型；
[0008] 无拖曳卫星在运行过程中，姿态通道受到的多源干扰包括环境干扰力矩、惯量不 确定性、执行机构噪声W及未建模动态，此时，无拖曳卫星的多源干扰模型可W描述为系统 Σ 1所示；
[0009]
[0010] 其中，
，t表示时间，Θ为卫星的滚动角、俯仰角、偏航角组成的列向 量，#为滚动角速率、俯仰角速率W及偏航角速率组成的列向量;无拖曳卫星的标称转动惯 量矩阵J〇 = diag{J〇x，Joy，Joz}，其中，J〇x、J〇y、J〇z分别为卫星滚动轴、俯仰轴W及偏航轴的转 动惯量，系数矩阵
〇3X3表示3行3列的零矩阵，13X3表示3维的单位矩阵，
ω〇为轨道角速度，u(t)为无拖曳卫星所受到的控制力矩，w(t)为执行机构噪声，可W表征 为高斯白噪声，do(t)为包括大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩， di(t)为惯量不确定性W及未建模动态带来的等价干扰，可W表征为范数有界干扰的形式； 输出变量y(t) = x(t)表示系统的全部状态可测；f(x，t)为已知的重力梯度力矩，其满足 Lipschitz条件，即对任意的两个系统状态Xl(t)，X2(t)，存在已知的矩阵U使得下列不等式 成立：
[0011] I |f(Xl,t)-f(X2,t) I I 引 |U(Xl(t)-X2(t)) I I ;
[0012] (2)基于步骤（1)建立的多源干扰模型，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计 并补偿，采用鲁棒Hoc/出控制对范数有界干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；
[0013] 对系统Σι中的环境干扰力矩设计干扰观测器为：
[0014]
[0015] 其中，为环境干扰力矩d〇(t)的估计值，v(t)为辅助的状态变量，L为待定的观 测器增益矩阵；
[0016] 对于范数有界干扰和高斯白噪声，基于Hoc/出原理设计标称控制器为：
[0017] Unorm(t) =Kx(t)
[001引其中，K为待定的控制器增益矩阵；
[0019] (3)将基于干扰观测器的控制与鲁棒Hoc/此控制进行复合，构成抗干扰控制器，通 过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；
[0020]基于步骤(2)，抗干扰控制器设计为：
[00別]"0-) w-式,0-)
[0022] 定义观测器误差式的= c/。价-或的，将动力学模型系统与观测器误差系统联立得：
[0023]
[0024] 其中，zi(t)，Z2(t)为参考输出，Τι，Τ2为给定的加权矩阵，增益矩阵K，L的选取应满 足：
[0025] 闭环系统S2是渐近稳定的，且从di(t)、j,肿W及w(t)到zi(t)的闭环传递函数的 Hoc范数分别小于给定的上界γ 1、γ 2?及γ 3,同时使得从w(t)到Z2(t)的闭环传递函数的此 范数尽可能的小;此问题转化为求解W下凸优化问题：
[0026] minp
[0031] 其中，λ〉〇, 丫 i〉〇(i = l，2,3)为任意选定的正数，R = RT〉0，Q = qT〉〇，s = sT〉〇，Kr、G!l 为矩阵变量，P为实数变量，I表示单位矩阵，0表示零矩阵;符号sym表示矩阵与矩阵转置之 和，min表示最小值，Trace表示矩阵的对角线元素之和，而符号*表示对称矩阵中相应的对 称部分;则观测器增益矩阵为L = Q-1Ql，抗干扰控制器增益矩阵为Κ=ΚκΚΛ
[0032] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0033] (1)本发明充分考虑了无拖曳卫星姿态通道所受到的多源干扰，并对多源干扰进 行了分类，克服了传统姿态控制方法只考虑单一类型干扰的不足，建立了无拖曳卫星的多 源干扰模型；
[0034] (2)本发明设计的抗干扰控制器对不同类型的干扰采用了不同的控制算法，充分 利用了干扰特性，采用复合控制方式实现了多源干扰的同时抑制与补偿，从而提升了系统 的抗干扰性能与控制精度。
【附图说明】
[0035] 图1为针对无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法流程框图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明如图1所示，本发明具体实施步 骤如下：
[0037] 一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，主要包括W下步骤:首先，对无拖曳卫星 姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计干扰 观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒Hoc/此控制对范数有界的干扰进行抑制， 对高斯白噪声进行优化;最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒Hoc/此控制进行复合，构成 抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵。
[0038] 第一步，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干 扰的系统模型；
[0039] 低轨运行的无拖曳卫星，姿态通道受到的多源干扰包括环境干扰力矩、惯量不确 定性、执行机构噪声W及未建模动态。无拖曳姿态控制的目的是使卫星本体系与轨道系重 合，而包含大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩是姿态通道最主要 的干扰，因此要提升无拖曳卫星的姿态控制精度，必须对环境干扰力矩予W补偿;而由于卫 星燃料消耗W及晃动等引起的星体惯量不确定性W及未建模动态均可表征为范数有界干 扰;而执行机构噪声为服从高