航天器相对运动的姿轨联合有限时间切换控制方法

Spacecraft relative motion control is the premise and foundation of the realization of multi spacecraft cooperation. During the relative motion, the safety and accuracy are highly required, and the coupling of attitude and orbital control should be considered very carefully. Therefore, for this project, the attitude and orbital integrated control approach is the main research object. By analyzing and comparing the existing methods, we found that the existing different modeling and control methods have advantages and disadvantages respectively, and the properties are difficult to unify. Therefore, based on the theory and method of switching control, we will propose a new idea and analysis method for the attitude and orbital integrated control. Firstly, we focus on the dynamic analysis and modeling. By detailed analysis on characteristics of two kinds of different motions, near space operations and relative orbit transfer, and based on switching control theory, finite time control theory and the specific performance reqirements, the relative motion process is regarded as a process of a switching system with multiple subsystems, which can be described by different dynamic models. Then, the attitude and orbital integrated control can be achieved by designing the switching rule and switching control law of the switching system. Further, two typical cases, control input saturation and under actuated condition, are considered in the same framework, and the corresponding solutions are proposed. Finally, the proposed schemes are verified and improved by digital simulation and semi physical simulation platform.

航天器相对运动的控制问题是实现多航天器协同工作的前提和基础，对于安全性和精确性有着极高的要求，姿轨耦合作用不容忽视。因此，本项目以航天器相对运动过程的姿轨联合控制为研究目标，通过对现有相关方法进行分析和比较，针对不同建模及控制方法各有利弊、难于统一的现状，旨在基于切换控制理论和方法提出一种分析和解决问题的新的思路和途径。首先从动力学分析和建模入手，针对近距离空间操作和相对轨道转移几种不同航天任务的特性，基于切换控制系统思想，结合有限时间控制理论及性能指标要求，将相对运动过程归结为由不同动力学模型刻画的多个子系统交替运行的过程，提出一种基于切换控制的姿轨联合动力学分析与控制律设计框架，通过对切换规则和切换控制律的设计实现姿轨联合控制。在此框架下，进一步针对控制输入饱和和欠驱动两种典型情形进行处理并提出相应的解决方案。最终通过数字仿真并通过搭建半实物仿真平台对所提方案进行验证和完善。

航天器相对运动的姿轨控制问题是航天领域研究的热点问题之一，尤其对于我国登月工程和空间站计划等高级航天任务的进一步实施具有非常重要的现实意义。航天器控制中，传统的方案是轨道控制和姿态控制相分离的方案，但是对于近距离相对运动任务来说，姿态和轨道控制作用间的耦合不可忽视。因此，姿轨联合控制在该领域具有重要的研究价值和广泛的应用前景。. 本项目围绕项目任务书中计划的研究内容进行了整合和拓展，研究内容和已取得的创新性成果主要包括四方面：（1）航天器相对运动的姿轨联合机动模型构建及非线性分析，及受控主动航天器期望姿态的解析求解方法；（2）执行器饱和约束及输出不确定条件下，航天器相对运动过程的姿轨联合有限时间切换控制方法；（3）执行器饱和约束及测量不确定条件下，航天器相对运动过程的姿轨联合有限时间在线学习最优控制方法；（4）执行器饱和约束及测量不确定条件下，航天器相对运动过程的姿轨联合预设性能有限时间切换控制方法。这四方面成果可以直接服务于航天器相对运动过程的姿轨联合控制问题。. 此外，项目针对航天器姿轨联合控制问题蕴含的部分复杂非线性系统控制问题开展深入研究并取得了一些创新性研究成果，提出的基于梯度下降神经网络技术的反步控制方法、自适应神经网络优化控制方法在控制精度、算法运算速度上与传统方法相比均有所突破。同时，项目也开展了控制算法在飞行器仿真实验平台上的验证和应用探索工作。针对无人机飞行器控制问题的研究对于该领域相关研究也具有非常重要的意义。算法的有效性分别在无人机飞行器的轨道控制、姿态稳定、以及姿轨一体化控制实验平台上获得了验证，相关成果也可为无人机领域的控制问题提供理论参考和技术支持。