【技术实现步骤摘要】
本申请涉及航天器控制，特别涉及一种耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制方法。
技术介绍
1、航天器编队姿态协同控制是指通过控制保证所有航天器姿态保持相对指向或最终趋向一致。其在合成孔径成像、重力场测量和三维立体成像等编队任务中的重要作用而备受关注。当前对于航天器姿态协同控制问题的研究存在多种方法。比如针对编队旋转机动中保持多航天器姿态对齐的要求，现有研究中给出了包括减小姿态误差、保持姿态一致和绕规定轴旋转三个行为相叠加的控制律，以及无需角速度信息的无源性动态控制律。现有研究还给出了基于虚拟结构的航天器分散化控制机制，实现在编队机动中保持严格相对位置和姿态构形。
2、动量交换执行机构，特别是飞轮，是一种环保、节能的航天器姿态控制装置，在单航天器控制中得到了深入研究。如共面双飞轮-单喷气的配置方案，通过双飞轮组合稳定航天器的角速度，使得航天器到达预期姿态机动时燃料全局最省。然而，现有的航天器姿态协同控制研究大多将航天器简化为刚体，并未考虑到动量交换执行机构的作用。少数姿态协同控制研究中考虑了飞轮作用，如研究了考虑执行机构构型不对称的柔性航天器编队姿态协同控制问题，设计了一种积分型滑模自适应控制律，一种鲁棒抗饱和分布式姿态协同控制器，使姿态和角速度能够在有限时间内精确跟踪期望的时变指令。但这些研究在控制律设计时并未考虑飞轮与航天器动力学的耦合，且不利于实现航天器编队姿态的高精度分布式协同控制。由此可见，现有的航天器协同控制方法存在航天器编队的姿态控制合理性低的问题。
技术实现思路>
1、本申请提供了一种耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制方法，可以解决航天器编队的姿态控制合理性低的问题。
2、第一方面，本申请实施例提供了一种耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制方法，该姿态协同控制方法包括：
3、获取目标航天器编队中每个航天器当前时刻的角速度、姿态和飞轮的角速度，并根据每个航天器的角速度、姿态和飞轮的角速度构建每个航天器的姿态动力学和运动学方程；航天器为使用飞轮的航天器，姿态动力学和运动学方程用于描述航天器的姿态信息、飞轮信息和控制信息；
4、分别针对每个航天器，根据航天器的角速度和飞轮的角速度获取航天器的哈密顿能量函数，并根据所有航天器的姿态动力学和运动学方程计算航天器的领航员估计状态；哈密顿能量函数用于描述航天器在当前时刻的角动能和飞轮的角动能，领航员估计状态用于描述航天器的期望状态；
5、根据所有航天器的哈密顿能量函数以及姿态动力学和运动学方程，构建目标航天器编队的ph方程；ph方程用于描述目标航天器编队的系统控制器与所有航天器的姿态之间的关系；
6、基于所有航天器的姿态动力学和运动学方程、所有航天器的领航员估计状态构建目标航天器编队的期望哈密顿函数；期望哈密顿函数用于描述每个航天器的姿态误差，以及每两个航天器之间的相对姿态误差；
7、根据ph方程和期望哈密顿函数，利用ida-pbc算法计算得到目标航天器编队的系统控制器方程，并基于系统控制器方程获取每个航天器的控制律方程；
8、分别针对每个航天器，利用航天器的控制律方程对航天器进行控制。
9、第二方面，本申请实施例提供了一种耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制装置，包括：
10、获取模块，用于获取目标航天器编队中每个航天器当前时刻的角速度、姿态和飞轮的角速度，并根据每个航天器的角速度、姿态和飞轮的角速度构建每个航天器的姿态动力学和运动学方程；航天器为使用飞轮的航天器，姿态动力学和运动学方程用于描述航天器的姿态信息、飞轮信息和控制信息；
11、第一计算模块，用于分别针对每个航天器，根据航天器的角速度和飞轮的角速度获取航天器的哈密顿能量函数，并根据所有航天器的姿态动力学和运动学方程计算航天器的领航员估计状态；哈密顿能量函数用于描述航天器在当前时刻的角动能和飞轮的角动能，领航员估计状态用于描述航天器的期望状态；
12、第一构建模块，用于根据所有航天器的哈密顿能量函数以及姿态动力学和运动学方程，构建目标航天器编队的ph方程；ph方程用于描述目标航天器编队的系统控制器与所有航天器的姿态之间的关系；
13、第二构建模块，用于基于所有航天器的姿态动力学和运动学方程、所有航天器的领航员估计状态构建目标航天器编队的期望哈密顿函数；期望哈密顿函数用于描述每个航天器的姿态误差，以及每两个航天器之间的相对姿态误差；
14、第二计算模块，用于根据ph方程和期望哈密顿函数，利用ida-pbc算法计算得到目标航天器编队的系统控制器方程，并基于系统控制器方程获取每个航天器的控制律方程；
15、控制模块，用于分别针对每个航天器，利用航天器的控制律方程对航天器进行控制。
16、第三方面，本申请实施例提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行上述计算机程序时实现上述的耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制方法。
17、第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制方法。
18、本申请的上述方案有如下的有益效果：
19、在本申请的实施例中，通过获取目标航天器编队中每个航天器当前时刻的角速度、姿态和飞轮的角速度，并根据每个航天器的角速度、姿态和飞轮的角速度构建每个航天器的姿态动力学和运动学方程，然后分别针对每个航天器，根据航天器的角速度和飞轮的角速度获取航天器的哈密顿能量函数，并根据所有航天器的姿态动力学和运动学方程计算航天器的领航员估计状态，再根据所有航天器的哈密顿能量函数以及姿态动力学和运动学方程，构建目标航天器编队的ph方程，然后基于所有航天器的姿态动力学和运动学方程、所有航天器的领航员估计状态构建目标航天器编队的期望哈密顿函数，再根据ph方程和期望哈密顿函数，利用ida-pbc算法计算得到目标航天器编队的系统控制器方程，并基于系统控制器方程获取每个航天器的控制律方程，最后分别针对每个航天器，利用航天器的控制律方程对航天器进行控制。其中，根据航天器的飞轮角动量构建姿态动力学和运动学方程，使得姿态动力学和运动学方程中耦合了飞轮的动力学信息，提高方程对航天器状态的表述准确性和合理性，基于准确且合理的姿态动力学和运动学方程得到的领航员估计状态的精确性高，能够为航天器提供精确的期望状态，进而提高期望哈密顿函数的准确性，根据准确性高的期望哈密顿函数得到的航天器控制律方程的合理性提高，进而使得对航天器编队的姿态控制的合理性提高，并能使误差收敛速度更快，构型保持更稳定。
20、本申请的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
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1.一种耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述姿态动力学和运动学方程为：
3.根据权利要求2所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述哈密顿能量函数为：
4.根据权利要求1所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述根据所有航天器的姿态动力学和运动学方程计算所述航天器的领航员估计状态，包括：
5.根据权利要求3所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述根据所有航天器的哈密顿能量函数以及姿态动力学和运动学方程，构建所述目标航天器编队的PH方程，包括：
6.根据权利要求5所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述编队系统哈密顿能量函数为：
7.根据权利要求4所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述期望哈密顿函数为：
8.根据权利要求7所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述根据所述PH方程和所述期望哈密顿函数，利用IDA-PBC算法计算得到目标航天器编队的系统
9.根据权利要求8所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述匹配方程为：
10.根据权利要求9所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述每个所述航天器的控制律方程为：
...【技术特征摘要】
1.一种耦合飞轮动力学的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述姿态动力学和运动学方程为：
3.根据权利要求2所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述哈密顿能量函数为：
4.根据权利要求1所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述根据所有航天器的姿态动力学和运动学方程计算所述航天器的领航员估计状态，包括：
5.根据权利要求3所述的航天器编队姿态协同控制方法，其特征在于，所述根据所有航天器的哈密顿能量函数以及姿态动力学和运动学方程，构建所述目标航天器编队的ph方程，...
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