应用于航天器检测和维修、太空物资补给和空间碎片清理的在轨服务技术对节省航天器运营成本，降低航天器运行风险具有重要的实际应用价值而被广泛关注，特别是因各种太空活动所产生的空间碎片在太空轨道上的无序飞行严重威胁着航天器的安全，抓捕并清除这些动力学特性未知的空间碎片（或其他非合作目标）成为当前航天领域面临的一个急需解决的技术难题。抓捕质量和飞行速度未知的空间碎片，航天器的转动惯量将呈时变非线性摄动，并带动航天器姿态角发生偏移，因此，研究存在时变特性的非线性转动惯量摄动的航天器姿态控制器设计，对实现航天器在轨抓捕非合作目标具有重要的应用价值。
本文以实际工程应用中航天器存在的输入和状态有界、系统存在内外参数摄动等情况，研究在轨捕获非合作目标航天器的姿态控制器设计问题。其基本思想是:采用双环递归设计方法，先对外环姿态运动学方程预设一个有界虚拟角速度输入，使得姿态角误差较大时，系统以最大虚拟角速度输入驱动姿态角误差快速收敛;接着对内环姿态动力学方程，利用线性回归算子将系统中包含时变转动惯量的部分转换成关于转动惯量元素向量的线性方程，构建自适应更新律在线估计上界未知的转动惯量，利用障碍李亚普诺夫函数（Barrier Lyapunov Function, BLF）的特性设计姿态控制器，确保航天器角速度快速跟踪外环虚拟角速度，且航天器的状态变量全局有界，最后利用一阶约束微分方程对执行器输出力矩限幅，将控制输入限制在有界范围内。本文的创新之处在于:预设有界虚拟角速度，基于BLF稳定理论使实际角速度与虚拟角速度的轨迹跟踪误差在有界范围内变换，实现角速度有界的约束条件;基于线性回归算子得到关于转动惯量矩阵各元素的线性回归方程，分别设计自适应算法估计时变转动惯量及其微分，构建自适应姿态跟踪控制器，解决了时变转动惯量航天器姿态稳定控制问题;采用1阶约束微分方程对控制力矩限幅，在保证控制输入力矩的有界性的同时，也使得控制力矩连续，使控制器更利于实际工程应用。
存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制
殷春武，甘婷，徐琳
摘 要：对存在角速度和控制输入有界的快速机动航天器姿态控制问题，设计了一种自适应双环姿态跟踪控制器。将虚拟有界角速度作为运动学方程的虚拟控制输入，使姿态控制问题降阶为角速度跟踪问题；构建递归自适应算法估计时变转动惯量及其微分，并基于障碍李亚普诺夫函数和线性回归算子，设计了角速度跟踪误差有界的变增益自适应姿态控制器。结果表明：该控制策略能使抓捕非合作目标航天器的姿态呈指数收敛到期望轨迹，且收敛轨迹不受外部干扰和抓捕瞬间的强干扰影响；在整个控制过程中，航天器的角速度小于0.4rad/s，控制力矩小于10N.m，满足了航天器对角速度和控制输入有界的物理限制。
关 键 词：姿态控制；双环控制；障碍李亚普诺夫函数；角速度；在轨捕获
参考文献：殷春武,甘婷,徐琳.存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制[J].航空动力学报,2024,39(01):165-173.DOI:10.13224/j.cnki.jasp.20220124.
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