本文内容轉載自微信公衆号：中國空間科學技術，來源：《中國空間科學技術（中英文）》2024年第4期，版權歸原作者及刊載媒體所有，所刊載内容僅供交流參考使用，不代表本刊立場。
引用格式：
孟中傑,盧俊傑.欠驅動航天器模糊自适應增強耦合控制[J].中國空間科學技術（中英文）,2024,44(4):11-19.
MENG Z J,LU J J.Fuzzy gain-adapting coupling attitude control for under-actuated spacecraft[J].Chinese Space Science and Technology,2024,44(4):11-19(in Chinese).
一、文章導讀
1.研究背景
近年來，随着航天技術的不斷發展，星座構型部署、衛星攻防對抗、空間繩系拖曳等空間任務需求日益增加，航天器的軌道快速機動能力引起國内外的廣泛關注。大推力的固體推進技術憑借其在短時間内提供較大速度增量的優勢，十分适合于提高軌道機動的快速性。然而，由于推力矢量誤差、推力器安裝誤差等難以避免的因素，在固體推力下航天器會受到偏心力矩帶來的姿态強幹擾，其對微小航天器的影響更為嚴重，甚至會導緻航天器姿态翻轉，直接造成任務失敗。如何解決姿态強幹擾問題是實作快速軌道機動任務的關鍵。
在現有的姿态控制技術中，飛輪、控制力矩陀螺等傳統控制技術控制性能有限，難以抵消固體推力偏心下的強幹擾力矩。Liang等采用自旋穩定控制技術解決航天器的姿态擾動問題，但自旋産生的章動特性無法适用于快速機動任務。推力矢量控制技術是一種借助推力器噴管擺動提供控制充足力矩的姿态控制方式，Kabganian等分析了該方法抵消姿态強幹擾的有效性，并實作航天器面内的姿态控制。在此基礎上，Wang等通過在噴管處安裝萬向節實作推力矢量控制，解決了軌道機動期間的姿态強幹擾問題。而由于推力器安裝縱軸常與航天器滾轉主軸平行，推力矢量控制技術往往無法直接提供滾轉通道的控制力矩，具有典型的欠驅動控制特征。綜上，研究推力矢量控制技術下的航天器欠驅動姿态控制問題，能夠有效實作強推力變軌下的姿态強幹擾抑制。
目前有關航天器欠驅動控制的國内外研究較多。Guo等提出了基于偏置滾動俯仰軸耦合的姿态保持控制方法，降低了平衡點附近欠驅動軸耦合弱的影響。Yao等研究了欠驅動航天器在兩個控制力矩下的姿态鎮定問題，并設計了固定時間積分滑模控制器。Nadafi等研究了欠驅動航天器在大角度機動下的三軸姿态控制問題，在考慮不确定性和執行器飽和的情況下設計了一種魯棒控制器。Kumar等設計了微推進器下的欠驅動姿态控制方法，驗證了僅采用推力矢量控制技術實作三軸穩定的有效性。綜上，考慮固推變軌下航天器受到嚴重的姿态強幹擾，且推力矢量控制方法下滾轉通道與其餘通道的耦合關系較弱，使得快速機動過程中的欠驅動控制十分困難。采用智能控制算法成為了解決這一難題的重中之重。
在欠驅動系統的智能控制算法方面，Zhai等将欠驅動系統的動力學重構為非三角範式，并利用模糊基函數的有界性完成反演設計，提出了一種不确定欠驅動系統的自适應模糊控制方法。Lai等提出了一種基于智能優化的連續狀态回報欠驅動控制方法，采用智能優化算法對控制器的設計參數進行優化。Abro等考慮欠驅動系統的未模組化動态和不确定性，提出了基于線性擴充狀态觀測器和模糊滑模控制的智能控制方法。考慮推力矢量控制下航天器的欠驅動特性，本文基于自适應模糊觀測器與增強耦合政策設計了一種智能控制算法，借助增強耦合思想解決滾轉通道耦合弱的難題，并結合自适應模糊觀測器實作強幹擾不确定的精準逼近，進而提高強姿态幹擾下的欠驅動控制魯棒性能。
針對快速機動變軌期間的姿态強擾動抑制與欠驅動控制難題，首先建立航天器的姿态誤差動力學模型，并分析系統的欠驅動特性。然後，針對滾轉通道耦合弱和強幹擾不确定性等問題，結合增強耦合控制律和自适應模糊觀測器，設計了基于推力矢量控制的欠驅動航天器三軸姿态智能控制方法。最後，通過與分層滑模控制方法對比仿真，驗證了設計方法的有效性和優越性。
2.文章梗概
在快速軌道機動期間，針對固體推進作用下推力偏心、安裝誤差等因素帶來的姿态強幹擾問題，提出了一種基于推力矢量控制技術的航天器姿态欠驅動智能控制方法。首先，建立了航天器姿态誤差動力學模型，并分析推力矢量控制輸入的欠驅動特性。然後，考慮強幹擾不确定性和滾轉通道耦合弱的問題，設計了基于增強耦合政策與自适應模糊觀測器的欠驅動智能控制律，結合模糊邏輯函數逼近強幹擾不确定項并引入控制律中，實作航天器的姿态欠驅動智能控制，通過Lyapunov理論證明了系統的穩定性。最後，通過與分層滑模控制方法進行對比仿真，驗證了所設計的方法能夠使得三軸姿态穩定時間縮短14%，滾轉通道耦合弱産生的靜差被有效消除，為快速軌道機動期間的強幹擾抑制技術提供基礎。
3.總結與展望
針對軌道快速機動期間的姿态強幹擾抑制難題，本文研究了一種基于推力矢量控制技術的欠驅動航天器三軸姿态智能控制方法。首先，完成了欠驅動航天器的動力學模組化與推力矢量噴管的欠驅動特性分析。然後，考慮滾轉通道耦合弱、強幹擾不确定性等問題，設計基于增強耦合政策與自适應模糊觀測器的欠驅動智能姿态控制律，利用模糊邏輯系統與自适應律逼近系統的強幹擾不确定項，提高智能控制系統的魯棒性能，并完成穩定性分析。最後，通過仿真驗證，對比于分層滑模控制方法，本文設計的方法能夠有效增強滾轉通道與其餘通道的耦合關系，具有優異的欠驅動控制性能，為欠驅動航天器在進行快速軌道機動期間有效克服姿态強幹擾提供了重要的理論基礎。
二、作者簡介
孟中傑，西北工業大學航天學院教授，研究方向為航天器規劃與控制、空間繩系機器人的動力學與控制。
初審：張豔玲複審：宋啟凡
終審：金 君
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