本文内容转载自微信公众号：中国空间科学技术，来源：《中国空间科学技术（中英文）》2024年第4期，版权归原作者及刊载媒体所有，所刊载内容仅供交流参考使用，不代表本刊立场。
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孟中杰,卢俊杰.欠驱动航天器模糊自适应增强耦合控制[J].中国空间科学技术（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、文章导读
1.研究背景
近年来，随着航天技术的不断发展，星座构型部署、卫星攻防对抗、空间绳系拖曳等空间任务需求日益增加，航天器的轨道快速机动能力引起国内外的广泛关注。大推力的固体推进技术凭借其在短时间内提供较大速度增量的优势，十分适合于提高轨道机动的快速性。然而，由于推力矢量误差、推力器安装误差等难以避免的因素，在固体推力下航天器会受到偏心力矩带来的姿态强干扰，其对微小航天器的影响更为严重，甚至会导致航天器姿态翻转，直接造成任务失败。如何解决姿态强干扰问题是实现快速轨道机动任务的关键。
在现有的姿态控制技术中，飞轮、控制力矩陀螺等传统控制技术控制性能有限，难以抵消固体推力偏心下的强干扰力矩。Liang等采用自旋稳定控制技术解决航天器的姿态扰动问题，但自旋产生的章动特性无法适用于快速机动任务。推力矢量控制技术是一种借助推力器喷管摆动提供控制充足力矩的姿态控制方式，Kabganian等分析了该方法抵消姿态强干扰的有效性，并实现航天器面内的姿态控制。在此基础上，Wang等通过在喷管处安装万向节实现推力矢量控制，解决了轨道机动期间的姿态强干扰问题。而由于推力器安装纵轴常与航天器滚转主轴平行，推力矢量控制技术往往无法直接提供滚转通道的控制力矩，具有典型的欠驱动控制特征。综上，研究推力矢量控制技术下的航天器欠驱动姿态控制问题，能够有效实现强推力变轨下的姿态强干扰抑制。
目前有关航天器欠驱动控制的国内外研究较多。Guo等提出了基于偏置滚动俯仰轴耦合的姿态保持控制方法，降低了平衡点附近欠驱动轴耦合弱的影响。Yao等研究了欠驱动航天器在两个控制力矩下的姿态镇定问题，并设计了固定时间积分滑模控制器。Nadafi等研究了欠驱动航天器在大角度机动下的三轴姿态控制问题，在考虑不确定性和执行器饱和的情况下设计了一种鲁棒控制器。Kumar等设计了微推进器下的欠驱动姿态控制方法，验证了仅采用推力矢量控制技术实现三轴稳定的有效性。综上，考虑固推变轨下航天器受到严重的姿态强干扰，且推力矢量控制方法下滚转通道与其余通道的耦合关系较弱，使得快速机动过程中的欠驱动控制十分困难。采用智能控制算法成为了解决这一难题的重中之重。
在欠驱动系统的智能控制算法方面，Zhai等将欠驱动系统的动力学重构为非三角范式，并利用模糊基函数的有界性完成反演设计，提出了一种不确定欠驱动系统的自适应模糊控制方法。Lai等提出了一种基于智能优化的连续状态反馈欠驱动控制方法，采用智能优化算法对控制器的设计参数进行优化。Abro等考虑欠驱动系统的未建模动态和不确定性，提出了基于线性扩展状态观测器和模糊滑模控制的智能控制方法。考虑推力矢量控制下航天器的欠驱动特性，本文基于自适应模糊观测器与增强耦合策略设计了一种智能控制算法，借助增强耦合思想解决滚转通道耦合弱的难题，并结合自适应模糊观测器实现强干扰不确定的精准逼近，从而提高强姿态干扰下的欠驱动控制鲁棒性能。
针对快速机动变轨期间的姿态强扰动抑制与欠驱动控制难题，首先建立航天器的姿态误差动力学模型，并分析系统的欠驱动特性。然后，针对滚转通道耦合弱和强干扰不确定性等问题，结合增强耦合控制律和自适应模糊观测器，设计了基于推力矢量控制的欠驱动航天器三轴姿态智能控制方法。最后，通过与分层滑模控制方法对比仿真，验证了设计方法的有效性和优越性。
2.文章梗概
在快速轨道机动期间，针对固体推进作用下推力偏心、安装误差等因素带来的姿态强干扰问题，提出了一种基于推力矢量控制技术的航天器姿态欠驱动智能控制方法。首先，建立了航天器姿态误差动力学模型，并分析推力矢量控制输入的欠驱动特性。然后，考虑强干扰不确定性和滚转通道耦合弱的问题，设计了基于增强耦合策略与自适应模糊观测器的欠驱动智能控制律，结合模糊逻辑函数逼近强干扰不确定项并引入控制律中，实现航天器的姿态欠驱动智能控制，通过Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后，通过与分层滑模控制方法进行对比仿真，验证了所设计的方法能够使得三轴姿态稳定时间缩短14%，滚转通道耦合弱产生的静差被有效消除，为快速轨道机动期间的强干扰抑制技术提供基础。
3.总结与展望
针对轨道快速机动期间的姿态强干扰抑制难题，本文研究了一种基于推力矢量控制技术的欠驱动航天器三轴姿态智能控制方法。首先，完成了欠驱动航天器的动力学建模与推力矢量喷管的欠驱动特性分析。然后，考虑滚转通道耦合弱、强干扰不确定性等问题，设计基于增强耦合策略与自适应模糊观测器的欠驱动智能姿态控制律，利用模糊逻辑系统与自适应律逼近系统的强干扰不确定项，提高智能控制系统的鲁棒性能，并完成稳定性分析。最后，通过仿真验证，对比于分层滑模控制方法，本文设计的方法能够有效增强滚转通道与其余通道的耦合关系，具有优异的欠驱动控制性能，为欠驱动航天器在进行快速轨道机动期间有效克服姿态强干扰提供了重要的理论基础。
二、作者简介
孟中杰，西北工业大学航天学院教授，研究方向为航天器规划与控制、空间绳系机器人的动力学与控制。
初审：张艳玲复审：宋启凡
终审：金 君
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