执行机构故障的卫星姿态容错与闭环控制分配方法研究

For the development requirements of fast maneuvering and high-precise and steady pointing, the solutions of autonomous fault diagnosis, fault tolerant control, and optimal control allocation problems of satellites under actuator failures, have become the main bottlenecks for the development of the aerospace missions including deep space exploration and ocean remote sensing. In view of these challenging issues, this project investigates firstly the source and cause of the model uncertainties and actuator failures, and a novel hybrid fault diagnosis strategy is synthetically proposed utilizing the superiorities of the model-based and data driven-based fault diagnosis approaches. Then, the attitude control problems will be investigated for the satellite in the presence of disturbances, model uncertainties and actuator failures. A novel finite-time robust attitude fault tolerant control strategy will be proposed with the reconstructed information derived from the proposed fault diagnosis scheme. On basis of the optimized actuators configuration strategy, a novel closed-loop fault tolerant control allocation scheme will be proposed through establishing a comprehensive and practical multi-constraints and multi-objects control allocation problem, and the stability of the whole closed-loop control allocation system is guaranteed. This project aims at establishing the design method of finite-time robust attitude fault tolerant control and optimal closed-loop control allocation for satellites with actuator failures. And the achievements will provide theoretical foundation and technical guidance for the future satellite attitude fault tolerant control with lower energy consumption, greater percentage of successfully accomplished missions and higher-precise stability.

为了保障深空探测、海洋遥感等任务中卫星面临的快速机动、高精度高稳定度指向等发展需求，执行机构故障诊断与容错控制、最优化控制分配等关键问题，成为制约这些关系国计民生的空天任务发展的主要瓶颈。为此，本项目将深入研究模型不确定性和执行机构故障的产生机理，综合基于模型和数据驱动的故障诊断技术提出一种混合故障诊断方法；研究存在干扰、模型不确定性以及执行机构故障的卫星姿态控制问题，基于有限时间控制技术提出高精度姿态容错控制新方法；研究最优化执行机构配置策略，提出多约束下多目标最优化闭环容错控制分配新方案并给出稳定性分析。本项目旨在构建执行机构故障下的卫星姿态鲁棒容错与最优化闭环控制分配系统设计方法，为实现低功耗、高任务完成率以及较高精度的卫星姿态容错控制提供理论支持和技术引导。

在空间探测、海洋遥感、灾害风险预警与监测等空间任务中，研究如何提升卫星在未知多变的空间环境下稳定且可靠的运行能力，具有十分重大的现实意义。本项目立足于未来空间任务中卫星面临的快速机动、自主故障诊断与容错控制、高精度高稳定度指向、在轨寿命长等发展需求，项目团队紧紧围绕存在模型不确定性和多种执行机构故障的卫星高精度故障诊断、有限时间姿态鲁棒容错控制、多约束下的卫星最优化闭环控制分配及其稳定性分析等关键科学问题，对执行机构故障的卫星姿态容错与闭环控制分配系统设计等技术展开攻关。项目团队按照项目的研究方案展开详尽的研究工作，并在故障诊断、容错控制和控制分配等方向提出了一系列的解决方法：1）揭示了卫星执行机构（如反作用飞轮）故障产生机理，提出了基于迭代学习、扩张状态观测器、滑模观测器等技术的高精度执行机构故障诊断方法；2）提出了新颖而有效的基于滑模控制的卫星有限时间姿态鲁棒容错控制方法，保证了闭环系统快速、高精度、高稳定度稳定，同时增强闭环系统对执行机构故障的容错能力；3）研究对比了不同执行机构配置方案及其效率，提出了执行机构故障情况下多约束最优化闭环容错控制分配新方法，并分析证明了闭环容错控制分配系统的稳定性。基于所取得的研究成果，项目团队共发表学术论文16篇，其中SCI检索的期刊论文7篇（其中入选ESI高被引论文1篇），EI检索的会议论文9篇；已申请发明专利2项。本项目研究为增强在轨卫星在执行机构故障、空间环境力矩等影响下的姿态控制系统的容错性能和鲁棒性能等提供相应的理论支持和技术引导，同时能够实现降低能量损耗等实际工程需求。