基于旋转矩阵描述的卫星编队姿态容错协同控制研究

As one of the basic theories for cooperative observation of remote sensing satellite formation, the attitude coordinated control of satellite formation has important theoretical and practical significance. The actuators of remote sensing satellites are prone to failures since long time of fast attitude maneuver, thus the fault-tolerant attitude coordinated control of satellite formation is a key issue that urgently needs to be addressed to improve the system reliability. In order to avoid singularities and ambiguities which caused by attitude parameterization, this project will establish the rotation-matrix-based attitude dynamics of satellite formation and actuator fault model, design a distributed fault estimation observer to reconstruct the fault accurately, and propose a fault-tolerant attitude coordinated control algorithm. Furthermore, under the constraint of a specified convergence time, this project will study the finite-time fault-tolerant attitude coordinated control problem in both undirected and directed topologies. On this basis, considering the dynamic variation of the communication network topologies of satellite formation, this project will extend the previous results to general switching topologies and random switching topologies, and verify the feasibility and adaptability of the proposed algorithms by simulation experiments. The implementation of this project will not only promote the development of cooperative control theory of satellite formation, but also provide important theoretical support for the realization of super-large width of seamless continuous imaging technology of remote sensing based on satellite formation.

作为遥感卫星编队协同观测的基础理论之一，卫星编队姿态协同控制具有重要理论价值和实际意义。由于遥感卫星长时间快速姿态机动，执行器极易发生故障，因此卫星编队姿态容错协同控制是提高系统可靠性迫切需要解决的关键问题。本项目为规避姿态参数化所引起的混淆和奇异现象，拟建立基于旋转矩阵描述的卫星编队姿态动力学及执行器故障模型，并通过设计分布式故障估计观测器对故障进行准确重构，给出姿态容错协同控制策略的设计方法。进一步，在给定精确收敛时间的约束下，研究无向拓扑和有向拓扑下的姿态有限时间容错协同控制问题。在此基础上，针对卫星编队拓扑结构存在动态变化的情形，将之前的结果推广到一般切换拓扑及随机切换拓扑下，并通过仿真实验验证所得算法的可行性和适应性。本项目的开展不仅将推动卫星编队协同控制理论的发展，而且将为遥感卫星编队超大幅宽无缝连续成像技术的实现提供重要理论支撑。

当前对遥感卫星成像数据的幅宽、分辨率及时效性上的要求越来越高，同时卫星平台及载荷也朝着低成本、小型化、轻量化的方向发展。由于单星摆扫角度过大会降低成像分辨率，而多载荷卫星往往重量体积较大，因此现有单星成像技术显然已无法满足上述需求。为此，通过利用多个遥感卫星组成编队进行协同观测，可实现超大幅宽无缝连续成像。作为遥感卫星编队协同观测的关键基础理论之一，卫星编队姿态协同控制具有重要理论价值和实际意义，是实现遥感卫星编队超大幅宽无缝连续成像技术中迫切需要解决的关键问题。本项目主要在三方面开展了研究工作：一是基于旋转矩阵描述的卫星编队控制方面，针对在无向图下卫星编队的姿态协同问题，通过姿态误差建立一个只涉及一个参数的线性滑模面，进而用反推方法构造了一个分布式控制器来解决协同控制问题；针对领导者-跟随者结构，基于分布式状态观测器，利用滑模控制设计了分布式控制器解决领导者-跟随者结构的卫星编队协同控制问题。二是卫星编队协同规划及容错协同控制方面，针对多星广域对地观测的多任务规划问题，基于S形路径策略和最大化观测时间分配，提出了在空间几何和姿态机动约束下的编队协同规划方法；针对离散非线性系统的最优一致性控制问题，提出了基于Q学习的多步策略迭代方法；针对系统存在故障情况，提出了一种几乎仅利用相对输出测量信息的容错协同控制策略。三是卫星高精度姿态确定及控制方面，提出了面向敏捷卫星大角度往复快速摆动的姿态控制、提升卫星无控制点定位精度的亚角秒姿态确定等方法。本项目的开展对卫星编队姿态协同控制理论的发展，对深入理解卫星编队的协同机理，以及对高精度对地协同观测技术提供了有效的理论支撑。