【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于大型航天器姿軌一體化控制。
技術介紹
1、大型環狀天線衛星廣泛應用于通信領域，運行于地球靜止軌道，要求高精度指向以確保穩定的高速率信息傳輸。該類衛星在飛行周期內需保持在指定經緯度，并對地姿態有嚴格誤差限制。然而，復雜空間環境中的非球形攝動、太陽光壓、三體攝動等會導致衛星逐漸偏離標稱位置。此外，柔性天線的振動引發結構變形，增強了軌道與姿態的耦合作用。因此，設計姿軌一體化控制系統以抵消攝動力變得尤為關鍵。全推力設計因減少反作用飛輪和傳統推力器帶來的內部擾動，成為未來空間探測的重要趨勢，內編隊重力場測量衛星便是全推力布局的典型代表，適用于精密定軌和姿態控制任務。通過星載傳感器測量偏差并進行補償，姿軌一體化控制能夠有效應對非重力擾動，確保系統穩定。然而，大型環狀天線衛星模型結構復雜，非線性和高維度約束使得軌道和姿態的耦合控制更具挑戰性。盡管微分幾何控制、人工勢場法、保辛算法等方法已被提出，但其在實際應用中受限于計算復雜度與空間環境的特殊性。模型預測控制(model?predictive?control,mpc)作為一種有效的在線優化方法，能夠通過滾動優化補償系統擾動，但在復雜空間環境下，實時性難以保證。顯式模型預測控制(explicit?model?predictive?control,empc)通過離線求解控制律，在線查表計算優化問題，顯著提高了計算效率，但對大系統的高維優化控制需求導致內存占用大幅增加，限制了其在內存有限的星載計算機中的應用。
2、綜上所述，考慮控制方法的工程應用性，現有控制方法在復雜空間環
技術實現思路
1、本專利技術是為了解決大型環狀天線衛星模型的控制方法在復雜空間環境下難以兼顧計算實時性和優化大規模內存占用的問題，現提供基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法。
2、基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，利用laguerre函數參數化大型環狀天線衛星的控制輸入u(k+j)，并對所述控制輸入u(k+j)進行降階獲得決策變量η；
3、利用所述決策變量η將大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型改寫為帶約束的laguerre模型預測控制形式：
4、
5、其中，表示通過求解η的取值使目標函數最小化，x(k)為k時刻大型環狀天線衛星的狀態，
6、
7、a為相對軌道動力學方程的系統矩陣，b為相對軌道動力學方程的控制矩陣，np和nc分別為laguerre模型預測控制的預測和控制步數，l(δ)為第δ個laguerre函數集，δ＝0,1,...,np-1，q和p分別為正定和半正定性能權值矩陣；
8、定義變量將所述帶約束的laguerre模型預測控制形式轉化為等效的多參數二次規劃形式：
9、
10、對所述多參數二次規劃形式進行顯示求解，獲得分段仿射函數z*[]；
11、將大型環狀天線衛星的觀測狀態代入分段仿射函數z*[]，進而構建大型環狀天線衛星的姿軌控制輸入u(k)：
12、
13、進一步的，上述大型環狀天線衛星的控制輸入u(k+j)的表達式為：
14、
15、其中，li(j)表示第j個laguerre函數集l(j)中第i行的控制向量，n表示控制向量的維數，i＝1,2,...,n。
16、進一步的，laguerre函數集中的控制向量滿足：
17、
18、其中，bi＝1-ai2，ai為laguerre函數網絡比例因子，ni為laguerre函數的擴展項個數。
19、進一步的，上述基于航天器運動學方程和對偶四元數描述的姿態動力學方程，建立大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型，其表達式為：
20、
21、其中，x為天線衛星相對于標稱軌道的狀態矢量，表示四元數，有且q和q4分別是四元數的矢量和標量部分；ωb為天線衛星相對軌道的角速度，y為作用在天線衛星上的推進器推力和空間環境干擾力，j為天線衛星慣量矩陣，ω為是天線衛星慣性系下絕對角速度，為ω的斜矩陣，tbo為天線衛星從軌道坐標系到本體坐標系的旋轉矩陣，t為推進系統產生的控制力矩和空間環境干擾力矩的合成力矩，是ωb的斜矩陣，ω0為定常軌道角速度。
22、進一步的，作用在天線衛星上的空間環境干擾力的干擾因素包括太陽光壓、非球形攝動和三體引力；
23、太陽光壓加速度aspp：
24、
25、其中，cr為衛星的表面反射系數，ρsr為太陽光壓常數，g為受曬因子，au為1個天文單位，rsun為地心慣性系下太陽的位置矢量，ed表示由衛星指向太陽的單位矢量；sref表示大型環狀天線衛星的等效受曬面積，m為衛星質量；
26、非球形引力攝動影響下的重力梯度力矩為：
27、
28、其中，tgx、tgy、tgz分別為重力梯度力矩在當前體系下的x、y、z軸分量，rc為地球靜止軌道高度，μ為地球引力常數，ix、iy、iz分別表示大型環狀天線衛星的轉動慣量矩陣中x、y、z軸的轉動慣量，θ和分別是俯仰角和滾轉角；
29、三體攝動加速度atbp：
30、
31、其中，μsun和μmoon分別為太陽和月球的引力常數，rsun2sat為地心慣性系下太陽相對于衛星的位置，rmoon2sat為地心慣性系下月球相對于衛星的位置；rmoon為地心慣性系下月球的位置矢量。
32、進一步的，作用在天線衛星上的推進器安裝矩陣為：
33、
34、其中，c＝cosα，s＝sinα，α為推力器方向和安裝面的傾角，a、b、d分別為星本體的長寬高，l1和l2分別為星本體和饋源平臺到天線衛星質心的距離。
35、進一步的，上述利用所述決策變量η將大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型改寫為帶約束的laguerre模型預測控制形式，包括：
36、對所述大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型進行線性化和離散化，并寫為緊湊形式；
37、將緊湊形式模型的目標函數及約束構成帶約束的laguerre模型預測控制形式。
38、進一步的，上述對所述大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型進行線性化和離散化，獲得：
39、
40、進一步的，上述緊湊形式模型表達式為：
41、x＝fx(k)+φη。
42、進一步的，上述緊湊形式模型的目標函數的表達式為：
43、
44、其中，ψ表示目標函數；
45、所述目標函數的約束為：
46、
47、其中，um為控制輸入的最大值，i是j維單位陣。
48、本專利技術所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，
2.根據權利要求1所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，所述大型環狀天線衛星的控制輸入u(k+j)的表達式為：
3.根據權利要求2所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，Laguerre函數集中的控制向量滿足：
4.根據權利要求1所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，基于航天器運動學方程和對偶四元數描述的姿態動力學方程，建立大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型，其表達式為：
5.根據權利要求4所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，作用在天線衛星上的空間環境干擾力的干擾因素包括太陽光壓、非球形攝動和三體引力；
6.根據權利要求5所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，作用在天線衛星上的推進器安裝矩陣為：
7.根據權利要求1所述的基于改
8.根據權利要求7所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，所述對所述大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型進行線性化和離散化，獲得：
9.根據權利要求8所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，所述緊湊形式模型表達式為：
10.根據權利要求9所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，所述緊湊形式模型的目標函數的表達式為：
...【技術特征摘要】
1.基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，
2.根據權利要求1所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，所述大型環狀天線衛星的控制輸入u(k+j)的表達式為：
3.根據權利要求2所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，laguerre函數集中的控制向量滿足：
4.根據權利要求1所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，基于航天器運動學方程和對偶四元數描述的姿態動力學方程，建立大型環狀天線衛星姿軌的動力學模型，其表達式為：
5.根據權利要求4所述的基于改進顯式模型預測控制的大型環狀天線衛星姿軌一體化控制方法，其特征在于，作用在天線衛星上的空間環境干擾力的干擾因素包括太陽光壓、非球形攝動和三體引力；
6.根...
【專利技術屬性】
技術研發人員：季奕，孫光輝，王詩杰，孫敏哲，李文源，馬凌宇，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：
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