1、航天器姿态控制中的控制分配与容错控制技术解析

航天器姿态控制中的控制分配与容错控制技术解析

1. 背景与动机

深空探索对人类发展和技术进步意义重大，一直且将持续得到美国、欧洲、俄罗斯和中国等的大力支持。航天器作为太空任务的核心载体，是航天工程系统的重要组成部分。随着各类探索任务的发展，对航天器的制导、导航和控制提出了更高要求。

航天器的姿态控制系统（ACS）是航天器的关键子系统，它决定了航天器在太空任务中的稳定性、可靠性、自主性和智能性，甚至关乎任务能否成功完成。然而，在轨航天器的动力学具有强非线性，还会受到来自太空环境的各种恶劣干扰，如引力摄动、气动力矩、辐射力矩等。同时，航天器的一些部件（如传感器、执行器等）不可避免地会出现故障或故障，其中执行器故障最为严重和常见，约占所有故障的 44%。这些潜在故障和不确定因素会导致系统性能下降，甚至可能造成系统崩溃、巨大损失或灾难性后果。

为提高航天器 ACS 的稳定性和可靠性，目前有一些主要方法，如设计高可靠性的冗余设备控制系统、基于故障检测与诊断（FDD）的容错控制（FTC）系统等。现代航天器通常采用冗余执行器来提高可靠性和安全性，此时执行器数量通常多于 ACS 的自由度，航天器成为过驱动系统。为有效利用这些硬件冗余，控制分配（CA）技术应运而生，它能将基线控制器合成的低维总控制信号合理分配到高维冗余执行器中。此外，执行器冗余也为构建 FTC 系统提供了设计自由度，CA 也是构建基于 CA 的 FTC 系统的一种有效方式。因此，研究考虑多优化目标、各种系统约束和执行器故障的 CA 策略具有重要意义。而 FTC 是处理航天器执行器故障时姿态控制的常用方法，设计具有 FTC 能力的控制系统不仅要确保系统在执行器故障下的闭环稳定性，还要对各种不确定性和干扰保持一定的鲁棒性。