一种基于元模型干扰观测器的激光通信终端指向控制方法

本发明属于航天控制领域，具体涉及一种基于元模型干扰观测器的激光通信终端指向控制方法。背景技术：：：1、激光通信终端指向控制性能是影响星间激光通信的建链速度、通信质量及效率的关键因素。在空间微重力环境下，卫星平台振动及摩擦等多源异质异构干扰经过结构传递，造成激光通信终端转轴力矩波动，从而导致指向角偏差。具体的，从干扰源与特性角度分析，卫星平台振动包含姿态运动激发挠性附件振动及姿态执行机构振动等多种谐振干扰，此外，非线性摩擦直接作用于激光通信终端对应转轴并通过耦合力矩传递影响其余轴向。由此，激光通信终端抗干扰指向控制成为提升激光通信性能的关键技术之一。传统基于干扰抑制的控制方法保守性强，控制性能与抗干扰能力间需要权衡设计。基于干扰观测器的方法可进一步利用干扰模型信息，从而减小干扰估计的保守性，其中准确表征干扰的元模型（机理模型）对提高观测器估计精度至关重要。依托地面测试环境，挠性附件如太阳翼及天线等可通过实验得到部分谐振频率及阻尼信息，姿态控制执行机构如飞轮则包含与转子频率相关的谐波干扰。进一步，利用激光通信终端已知转速及转角信息，可求得各转轴所受多源干扰测试数据。然而，如何利用干扰测试数据，设计元模型干扰观测器，实现激光通信终端高精度指向控制仍是星间激光通信网络工程应用中亟需突破的关键技术。2、目前，对激光通信终端指向控制的研究较少考虑干扰特性，多侧重于对干扰的抑制或保守估计。中国专利申请cn201510515353.x中为满足激光通信终端跟踪控制系统动态性能需求，考虑电磁干扰，提出了一种基于线性压电马达的空间激光通信终端粗跟踪控制系统，利用激光通信终端两轴的当前角位置与目标角位置进行误差计算生成控制信号。但该方法未充分考虑力矩干扰对控制性能的影响。中国专利申请cn202111614886.5中针对激光通信宽频惯性基准单元指向控制问题，提出了一种有限时间抗干扰控制方法，利用有限时间扩张状态观测器估计干扰并结合有限时间控制器减低干扰对输出的影响。但该方法对干扰的处理较为保守，未充分利用干扰的部分已知信息。文献《改进的内模控制在机载激光通信系统的应用》针对激光通信终端方位轴指向控制问题，在传统内模控制的基础上提出了一种基于观测器的二自由度内模控制算法，提高了系统的抗干扰能力。然而，该方法未充分分析干扰特性与观测器参数选取关系，对干扰的处理具有一定保守性。3、综上所述，在卫星平台振动及摩擦等多源干扰影响下，缺乏充分利用干扰先验已知数据及信息的激光通信终端抗干扰指向控制方法，亟需攻克数据驱动的基于元模型干扰观测器的潜望镜式激光通信终端高精度指向控制难题。技术实现思路1、针对卫星平台振动及摩擦等多源干扰影响下的潜望镜式激光通信终端粗指向控制需求，克服现有方法对多源干扰先验已知信息利用不充分问题，本发明提供了一种基于元模型干扰观测器的激光通信终端指向控制方法，基于数据实现对干扰的元模型表征，设计元模型干扰观测器，并利用干扰估计值设计鲁棒反步控制器，提升干扰估计精度，实现激光通信终端高精度、强鲁棒指向控制。2、为达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：3、一种基于元模型干扰观测器的激光通信终端指向控制方法，包括以下步骤：4、第一步，建立包含干扰的激光通信终端动力学模型，通过地面扫频及振动测试等手段，模拟实际运行环境，得到激光通信终端方位轴及俯仰轴干扰历史数据，利用状态空间克里金建模方法，得到干扰的连续元模型；5、第二步，利用第一步建立的激光通信终端动力学模型与得到的干扰的连续元模型，设计元模型干扰观测器，实现对多源干扰的实时精准估计；6、第三步，利用第二步得到的多源干扰的实时精准估计值，设计鲁棒反步控制器，完成干扰前馈补偿与干扰估计误差反馈抑制，实现高精度期望指向角跟踪。7、进一步地，所述第一步包括：8、（1）建立包含干扰的激光通信终端动力学模型：9、，10、其中，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>q</mi><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup></mstyle>表示激光通信终端指向角度向量，和分别表示激光通信终端方位轴与俯仰轴的角度，右上标“”表示求解矩阵或向量的转置；与分别表示激光通信终端指向角度向量关于时间的一阶导数与二阶导数；表示控制输入力矩向量；表示激光通信终端所受干扰力矩向量；表示激光通信终端惯量矩阵；表示激光通信终端科氏力与离心力系数矩阵。具体的，假设激光通信终端各轴质心在连杆中心处，惯量矩阵与系数矩阵分别可表示为：11、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mtablecolumnalign="center"><mtr><mtd><mi>m</mi><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><msub><mi>i</mi><mrow><mi>z</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msup><mi>sin</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msup><mi>cos</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>l</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>m</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>i</mi><mrow><mi>z</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>c</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>q</mi><mi>,</mi><moveraccent="true"><mi>q</mi><mo>˙</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mi>−</mi><msub><mi>i</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><moveraccent="true"><mi>q</mi><mo>˙</mo></mover><mn>2</mn></msub></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mi>−</mi><msub><mi>i</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><moveraccent="true"><mi>q</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mi>−</mi><msub><mi>i</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><moveraccent="true"><mi>q</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mstyle>，12、其中，表示方位轴在其z轴上的转动惯量；、和分别表示俯仰轴在其x轴、y轴和z轴上的转动惯量；和分别表示激光通信终端方位轴与俯仰轴的角速度；表示激光通信终端俯仰轴连杆长度；表示激光通信终端俯仰轴质量；定义状态变量，状态变量得到状态空间模型：13、，14、其中，表示的逆矩阵，表示状态空间模型下的激光通信终端惯量矩阵；表示状态空间模型下的激光通信终端科氏力与离心力系数矩阵；，分别为状态变量，关于时间的一阶导数；<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>d</mi><mi>=</mi><mi>m</mi><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup></mstyle>，表示激光通信终端方位轴及俯仰轴的多源干扰力矩向量，由方位轴多源干扰和俯仰轴多源干扰组成。通过地面扫频及振动测试手段，模拟实际运行环境，利用已知的控制输入力矩、激光通信终端指向角度向量及角速度向量数据，解算出激光通信终端方位轴及俯仰轴的多源干扰力矩向量，记录解算结果得到干扰历史数据。15、（2）利用得到的干扰历史数据与状态空间克里金建模方法，得到干扰的离散元模型：16、，17、其中，与分别表示第k时刻与第k+1时刻干扰的状态向量；与分别表示利用干扰历史数据得到的干扰离散状态转移矩阵与输出矩阵；表示第k时刻利用干扰的离散元模型计算的干扰。下面具体说明状态转移矩阵的计算方式。假设待求解状态转移矩阵的标量动态为，定义包含步时延的向量形式为<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>z</mi><mi>k</mi></msub><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>y</mi><mi>k</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>y</mi><mrow><mi>k</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>y</mi><mrow><mi>k</mi><mi>−</mi><msub><mi>n</mi><mi>p</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup></mstyle>，其中表示第k时刻测得的待解算数据，“”表示以此类推。定义时延向量的后继向量形式为<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msubsup><mi>z</mi><mi>k</mi><mo>+</mo></msubsup><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>y</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mi>,</mi><msub><mi>y</mi><mi>k</mi></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>y</mi><mrow><mi>k</mi><mi>−</mi><msub><mi>n</mi><mi>p</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup></mstyle>。定义存有未知动态系统历史数据的矩阵：18、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>d</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>=</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><msub><moveraccent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn></msub></mtd><mtd><msub><moveraccent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn></msub></mtd><mtd><mi>⋯</mi></mtd><mtd><msub><moveraccent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mi>n</mi></msub></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mstyle></mstyle>，19、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>d</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msup><mrow/><mo>+</mo></msup></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>=</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><msubsup><moveraccent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mo>+</mo></msubsup></mtd><mtd><msubsup><moveraccent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup></mtd><mtd><mi>⋯</mi></mtd><mtd><msubsup><moveraccent="true"><mi>z</mi><mo>¯</mo></mover><mi>n</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mstyle></mstyle>，20、其中，为保存的数据组数；、及分别表示第1、2及组保存的与时延向量具有相同的结构的数据向量；存有输入的历史数据；是矩阵的后继向量，即、及分别为、及的后继向量。输入动态的状态转移矩阵可通过以下公式求解：21、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>{</mo><mtablecolumnalign="left"><mtr><mtd><mi>h</mi><mi>=</mi><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>c</mi><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mi>d</mi><mi>t</mi></msup><mi>,</mi><msup><mi>1</mi><mi>t</mi></msup></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup><mi>,</mi><msup><mi>c</mi><mo>+</mo></msup><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mo>(</mo><msup><mi>d</mi><mo>+</mo></msup><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi></msup><mi>,</mi><msup><mi>1</mi><mi>t</mi></msup></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>a</mi><mi>=</mi><mn>2</mn><msup><mi>h</mi><mrow><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msup><mi>h</mi><mrow><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><msup><mi>c</mi><mi>t</mi></msup><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>ch</mi><mrow><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><msup><mi>c</mi><mi>t</mi></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>c</mi><mo>+</mo></msup><mi>−</mi><mn>2</mn><msup><mi>ch</mi><mrow><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mstyle>，22、其中，右上标“”表示求解矩阵的逆矩阵；及为正定权值矩阵，为总权值矩阵；为满足矩阵维度的全1行向量；及为辅助参数矩阵；为通过历史数据计算得到的输入动态的离散状态转移矩阵。将输入动态取为与可分别得到方位轴与俯仰轴干扰的离散状态转移矩阵与，以及历史数据矩阵与。构造及，其中表示构造分块对角矩阵，和分别表示矩阵及的第一行元素，完成离散干扰元模型的构建。进一步，将干扰的离散元模型转为连续元模型：23、，24、其中，表示干扰的连续状态向量，表示关于时间的一阶导数；表示将利用干扰历史数据得到的干扰离散状态转移矩阵连续化后的状态转移矩阵；表示利用连续元模型计算的干扰。25、所述第二步，设计元模型干扰观测器：26、，27、其中，表示元模型干扰观测器状态向量，表示元模型干扰观测器状态向量关于时间的一阶导数；表示元模型干扰观测器增益矩阵，其选取需保证矩阵负定；表示激光通信终端方位轴及俯仰轴的多源干扰力矩向量的估计值。28、所述第三步，设计鲁棒反步控制器，完成干扰前馈补偿并反馈抑制干扰估计误差：29、，30、其中，为激光通信终端期望跟踪指向角向量，与分别表示激光通信终端期望跟踪指向角向量关于时间的一阶导数与二阶导数；与为状态跟踪误差向量；表示虚拟控制向量，为虚拟控制向量关于时间的一阶导数；表示辅助控制输入向量；和为鲁棒反步控制器增益矩阵，可分别选取为及，其中与为大于零的常值，为对应维度单位矩阵。31、本发明的有益效果在于：32、本发明采用基于干扰历史数据的元模型构建方法，结合元模型干扰观测器与鲁棒反步控制器，能够在多源异质异构干扰影响下实现激光通信终端的高精度指向控制，具有实现简便、干扰估计精度高和鲁棒性强的特点，适用于存在多源干扰的激光通信终端指向控制系统中。33、采用本发明方法进行激光通信终端指向控制，可在结合地面干扰测试数据，实现对特性复杂干扰的学习建模，通过调整观测器与控制器增益矩阵可调整激光通信终端指向的动态与稳态性能。所设计控制器与不利用干扰模型或历史数据的控制器相比，增强了整体系统的抗干扰能力，减小了干扰估计的保守性，可提升激光通信终端指向控制的准确性与快速性。当前第1页12当前第1页12