姜斌,張柯,楊浩,程月華,馬亞杰,成旺磊

南京航空航天大學 自動化學院,南京 211106

隨著太空領域探索技術的需求與發(fā)展,現代航天技術已然成為一個國家綜合科技實力的象征,不論是在經濟建設還是在國防軍事建設層面上都占有舉足輕重的地位。隨著中國航天領域技術的不斷發(fā)展,為實現更復雜的深空探索任務,對衛(wèi)星等空間飛行器的功能密度與系統(tǒng)復雜度的要求日益嚴格,以期有效提升空間任務執(zhí)行能力,但這不可避免的增加了系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性[1]。為了減少衛(wèi)星在太空探測任務中對地面測控的依賴,增強在軌衛(wèi)星的安全性并降低運行成本,需要提高衛(wèi)星在復雜環(huán)境下的自主運行能力,使其能夠最大限度地自主完成探測任務。為了實現這些目標,衛(wèi)星系統(tǒng)需要具備容錯和自修復的能力,對系統(tǒng)異常狀況做出及時有效的響應,保證空間任務的順利完成的同時大幅降低經濟損失。比如美國在航天器故障診斷與健康管理方面也投入了大量的人力物力,使得航天器運行風險降低50%,且預算降低了30%。

姿態(tài)控制系統(tǒng)是衛(wèi)星系統(tǒng)最基礎、最關鍵的子系統(tǒng)之一,該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是航天任務順利執(zhí)行的前提和保障,提高衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性顯得重要而迫切[2-3]。然而,姿態(tài)控制系統(tǒng)又是故障極易發(fā)生的子系統(tǒng),圖1為1988—2014年間遙感衛(wèi)星不同子系統(tǒng)發(fā)生故障的比例[4],其中37%的故障來自于控制系統(tǒng)。美國的預警衛(wèi)星DSP-23的姿軌控系統(tǒng)在2008年9月發(fā)生未知故障,美國安全部不得加大投資,但仍無法挽回該衛(wèi)星。

圖1 遙感衛(wèi)星分系統(tǒng)在軌故障統(tǒng)計[4]

在軌衛(wèi)星在空間運行中遇到的不確定性因素多,且人工干預能力有限,應用主動或被動容錯控制技術可以有效提高姿態(tài)控制系統(tǒng)的魯棒性和在軌故障的恢復能力,保障故障情況下姿態(tài)控制系統(tǒng)的高品質姿軌控性能[5]。文獻[6-7]中詳細闡述了國內外航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制技術的重要性和發(fā)展現狀等,此外一系列實例也驗證了為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設計容錯控制器的有效性和必要性。例如,20世紀末就有學者在SAX衛(wèi)星的在軌拓展實驗中發(fā)現,對發(fā)生故障的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設計合適的容錯控制器,可以保證衛(wèi)星繼續(xù)完成任務[8]。21世紀初,卡西尼號衛(wèi)星航天器利用冗余反作用飛輪替代發(fā)生故障的主反作用飛輪執(zhí)行有效的容錯控制策略,滿足了衛(wèi)星的性能指向要求[9]。在遠紫外光譜探測器陀螺儀性能衰退,且2個正交飛輪故障的情況下,通過重構容錯控制機制,利用冗余飛輪和磁力矩器可恢復部分姿態(tài)控制性能[10]。當在軌衛(wèi)星遭受空間碎片撞擊引發(fā)故障而失去姿態(tài)穩(wěn)定控制能力后,利用卡爾曼濾波器等技術設計容錯控制器可恢復衛(wèi)星姿態(tài)控制性能[11]。在衛(wèi)星編隊過程中,面對磁力矩器失效故障和磁力矩器飽和現象,設計基于磁力矩器的自旋穩(wěn)定算法可實現姿態(tài)的穩(wěn)定控制[12]。此外,有學者考慮衛(wèi)星推力器故障,以最優(yōu)查表法結合線性規(guī)劃的方法有效提高了衛(wèi)星控制系統(tǒng)的容錯性[13]。文獻[14] 介紹了HJ-1A、1B衛(wèi)星上發(fā)生系統(tǒng)級和部件級故障下的姿態(tài)控制方案,通過設計容錯控制機制,衛(wèi)星順利地完成了一系列動作,控制精度也滿足指標要求。文獻[15]結合冗余、自診斷和看門狗技術為皮衛(wèi)星設計了具有容錯能力的衛(wèi)星星務管理系統(tǒng),通過綜合測試軟件驗證了容錯機制的良好效果。綜上所述,根據在軌衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的自主性和可靠性的發(fā)展要求,為具備更強的自主運行、維護能力以面對生存條件苛刻的外太空環(huán)境,針對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障問題,開展容錯控制的理論與技術研究工作具有十分重要的學術價值、戰(zhàn)略意義和應用前景。

本文著重歸納衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯控制技術發(fā)展情況,主要從姿態(tài)系統(tǒng)的可重構性、單體衛(wèi)星容錯和衛(wèi)星編隊容錯3個方面進行闡述和分析。最后給出了對未來研究的展望。

1 面臨的科學問題

1.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可重構性

容錯控制實現的前提是控制系統(tǒng)具有對故障進行自主處理的能力,它是系統(tǒng)的一種固有屬性,稱為可重構性[16]。雖然控制系統(tǒng)的可重構性于20世紀80年代就已被提出,但是對于衛(wèi)星而言,復雜多樣的空間環(huán)境、有限且寶貴的星載資源以及艱巨的任務目標等實際工程因素導致衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可重構性研究尚未形成完整的體系[17],有如下兩方面的科學問題：

1) 如何制定可重構性的評價標準：多樣的星載控制設備造成故障可能發(fā)生的位置、種類和程度多樣,而不同的航天任務也對應著不同的控制目標。所以,在制定故障后的重構目標時,既要考慮故障設備的實際情況也要考慮所需執(zhí)行的任務目標,這給可重構性的評價帶來了挑戰(zhàn)。

2) 如何研究不確定模型的可重構性：衛(wèi)星本身往往具有強耦合、強非線性和剛撓耦合等特點,加之強輻射、強干擾等復雜的工作環(huán)境,使得衛(wèi)星的數學模型難以精確建立。因而,處理具有不確定模型的衛(wèi)星控制系統(tǒng)的可重構性是目前面臨的一個重要的科學問題。

1.2 單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯控制

容錯控制技術可以增強單體衛(wèi)星對故障的容忍性能,對保證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要的意義。然而對于在軌衛(wèi)星來說,系統(tǒng)內部不確定性、剛撓耦合特性、運行環(huán)境的復雜性、空間任務的多樣性等內外部影響因素給容錯控制器的設計帶來一系列需要解決的科學問題：

1) 如何設計不確定環(huán)境下的容錯控制器。系統(tǒng)參數不確定性、執(zhí)行器故障和外界干擾的影響具有突發(fā)性和未知性,使得不確定的先驗知識難以精確獲得,而現有的容錯控制器多基于不確定的先驗知識。因此,處理先驗知識匱乏的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的魯棒性和容錯性問題是一個需要解決的問題。

2) 如何處理衛(wèi)星撓性特性。衛(wèi)星在軌期間,撓性太陽帆板的振動對其姿態(tài)影響很大,存在剛撓耦合現象,重要的是振動模態(tài)通常不可測量。現有的大多技術均為針對剛性衛(wèi)星,忽略了撓性特性帶來影響,因此在綜合考慮撓性模態(tài)對控制器影響的背景下,如何建立容錯機制保證姿態(tài)穩(wěn)定和跟蹤性能是亟需解決的又一科學問題。

3) 如何備具快速響應性能。在軌衛(wèi)星為滿足實時任務的需求而需要提高系統(tǒng)的機動速度,目前應用的技術多為漸近收斂特性,導致機動時間難以預先設計,這制約著相關技術在衛(wèi)星實時系統(tǒng)上的廣泛應用,因此如何提升衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯控制的快速性問題是重要而緊迫的。

4) 如何規(guī)定暫態(tài)性能約束范圍。在未知干擾、輸入飽和及執(zhí)行器故障的背景下,傳統(tǒng)方法僅限分析控制穩(wěn)態(tài)性能,對收斂過程的暫態(tài)性能少有關注,這有可能因姿態(tài)角過大導致失控現象。因此,在研究衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯性問題的同時,如何規(guī)定動態(tài)收斂過程的暫態(tài)性能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也需要保持關注。

1.3 多衛(wèi)星編隊容錯控制

隨著太空任務和系統(tǒng)復雜程度不斷增加,單體衛(wèi)星往往無法滿足實際任務需求,因此衛(wèi)星編隊控制問題引起了廣泛的關注。而衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)模的增大使得系統(tǒng)內部任何一個環(huán)節(jié)的故障都可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,帶來不可預估的安全隱患和經濟損失。任務的多樣性、編隊系統(tǒng)結構的復雜化以及制造維修成本的控制給衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的容錯控制技術帶來了極大的挑戰(zhàn),具體有如下科學問題：

1) 編隊中的衛(wèi)星需要根據不同任務需求對自身位置和姿態(tài)不斷進行調整,因此衛(wèi)星間的信息交互和協(xié)同控制極為關鍵。不同編隊系統(tǒng)中,子系統(tǒng)的通訊方式不同,如何選擇容錯控制方案及時補償故障影響而避免故障在子系統(tǒng)間傳播是首要考慮的因素。

2) 若故障嚴重甚至部分子系統(tǒng)徹底損壞時,傳統(tǒng)的容錯控制方案往往無能為力。如何設計新的容錯方案使得編隊系統(tǒng)在嚴重故障下仍能完成指定編隊任務需要進一步研究。

3) 為了降低衛(wèi)星的制造成本,增加衛(wèi)星的有效載荷,部分衛(wèi)星編隊系統(tǒng)在制造中會去掉部分測量設備和傳感設備。在設計有效的容錯控制方案使得編隊系統(tǒng)穩(wěn)定時,如何同時控制衛(wèi)星的制造成本并增加有效載荷也值得探討。

2 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯控制

容錯控制理論研究與其工程應用相輔相成、互為促進,本文將從衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可重構性、單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制和多衛(wèi)星編隊容錯控制3個方面進行總結。圖2對上述3個方面的主要研究方向或研究方法進行了集中歸納,下面將對具體的研究成果展開介紹。

圖2 衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制研究框架

2.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可重構性

針對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可重構性研究面臨的制定評價標準和處理模型不確定性的科學問題,本節(jié)從重構目標和系統(tǒng)功能要求兩個角度對現有的可重構性研究進行討論。

2.1.1 基于重構目標的可重構性

根據重構目標的不同,可重構性的評價標準也不唯一。就衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)而言,重構目標通常分為完全重構目標、部分重構目標和安全重構目標。其中,安全重構目標是指故障后的衛(wèi)星放棄既定的任務,在一定的安全范圍內運行,這意味著衛(wèi)星無法自主處理故障,是一種退而求其次的選擇。因而,目前的相關研究主要集中于前兩種重構目標。

完全重構目標是指故障發(fā)生后,系統(tǒng)在性能不下降的前提下完成既定的任務,這種重構目標多見于任務要求嚴格的衛(wèi)星系統(tǒng),如偵察衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤。這就要求故障后的系統(tǒng)依然能夠實現狀態(tài)間的任意轉移,故該類重構性研究的對象是故障系統(tǒng)的剩余能控性。由于線性模型簡單、相關的能控性理論較為成熟,目前相關研究主要集中于線性方法,尤其是基于線性系統(tǒng)能控性的格蘭姆矩陣的評價方法[18-19]。如文獻[20]針對以線性系統(tǒng)、線性切換系統(tǒng)、線性互聯(lián)系統(tǒng)建模的系統(tǒng),分析了故障后的剩余可控性及控制能耗,給出了結合概率指標的可重構性結論。而針對以非線性系統(tǒng)建模的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的可重構性研究的嘗試可見文獻[21],其考慮執(zhí)行器故障,用微分幾何的方法分析故障系統(tǒng)的全局能控性和小時間局部能控性,從而評估系統(tǒng)的可重構性。

部分重構目標允許故障系統(tǒng)降級完成既定任務,此時不需要對衛(wèi)星的姿態(tài)完全能控,而只需保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,以便繼續(xù)完成任務,如利用星載敏感器來替代失效的陀螺儀進行衛(wèi)星定姿。文獻[22]利用Lyapunov函數分析法給出了執(zhí)行器故障下的可重構條件,并將其應用于衛(wèi)星系統(tǒng)的對接問題。文獻[23]引入與Lyapunov方程相關的經驗能控性格蘭姆矩陣方法,對基于這一重構目標的可重構性進行了研究。

可見,上述可重構性研究方法著眼于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的固有結構屬性,存在兩個不足： ① 未 考慮系統(tǒng)的具體控制目標與功能要求； ② 需 要精確的衛(wèi)星模型。針對上述兩方面不足,部分學者從系統(tǒng)功能要求入手,對可重構性進行了研究。

2.1.2 基于系統(tǒng)功能要求的可重構性

基于系統(tǒng)功能要求的可重構性方法將構成系統(tǒng)的組件按照功能屬性分類,通過分析具有特定功能屬性的組件的冗余度,量化該功能的可重構性。由于這類方法不需要建立精確的動力學模型,許多研究工作將其用于衛(wèi)星這類復雜系統(tǒng)。文獻[24]引入鍵合圖工具,從系統(tǒng)的結構特性出發(fā),對執(zhí)行機構、傳感器和設備故障下的可恢復性條件進行分析。文獻[25]利用晶格構型圖對每種執(zhí)行器、傳感器配置的故障進行了評估,從而得出故障系統(tǒng)可重構性結論。文獻[26]基于函數目標模型,對以線性系統(tǒng)建模的衛(wèi)星控制系統(tǒng)的可重構性進行了研究,引入重要度因子、風險因子評價對各種故障的可重構性進行評價。

雖然這類對系統(tǒng)數學模型的依賴程度較低,具有實用性強的特點,且適用于功能復雜、多冗余的系統(tǒng),但實際方法設計往往對專家經驗有一定要求,且方法模型復雜度和運算量都隨著系統(tǒng)復雜度的提升而升高。

2.2 單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯控制

在軌衛(wèi)星長期工作在復雜多變的太空環(huán)境中,姿態(tài)控制系統(tǒng)難免會發(fā)生執(zhí)行器故障,而容錯控制技術可以顯著增強單體衛(wèi)星的可靠性和安全性,針對1.2節(jié)中提到的4個科學問題,本文有針對性的從基于自適應技術、滑模理論、預設性能、干擾觀測器和故障估計觀測器5個主要技術范疇展開詳細的討論與分析。

2.2.1 基于自適應技術的剛性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)故障補償

自適應控制方法以在線調節(jié)控制系統(tǒng)參數來適應環(huán)境的變化,比起魯棒控制、滑?？刂频?其優(yōu)點是自學習能力。衛(wèi)星在軌運行環(huán)境較為復雜,易引發(fā)參數不確定性和未知的執(zhí)行器故障,在沒有先驗知識的情況下,利用自適應技術對衛(wèi)星系統(tǒng)中的不確定性進行估計、補償,保證在未知微小故障、甚至較嚴重故障影響下系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。由此可見,自適應控制技術相較于傳統(tǒng)控制技術,在同等情況下以其更強的參數適應性可獲得控制精度更高、魯棒性更強的控制性能。

針對空間干擾和執(zhí)行器故障等問題,自適應技術在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究中已經得到大量應用。文獻[27-28]設計了自適應故障補償控制器,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時控制衛(wèi)星姿態(tài)按照特殊的參考信號進行姿態(tài)機動。為解決系統(tǒng)狀態(tài)未知、執(zhí)行器故障和輸入飽和的姿態(tài)跟蹤問題,文獻[29] 設計衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的模糊自適應輸出反饋容錯控制器,引入模糊自適應觀測器估計未知狀態(tài),結合反步法和自適應技術實現了對參考軌跡的穩(wěn)定跟蹤。文獻[30]考慮角速度受到約束和執(zhí)行器發(fā)生失效故障和偏差故障的情況,結合指令濾波和自適應技術實現容錯控制,保證無故障及不確定性先驗知識下的一致有界跟蹤。文獻[31]考慮執(zhí)行器發(fā)生失效和失控多重故障,設計了自適應執(zhí)行機構直接補償的方案,在沒有先驗知識情況下處理控制增益矩陣的不確定性,保證系統(tǒng)跟蹤誤差的全局穩(wěn)定性。此外,為解決衛(wèi)星系統(tǒng)輸入約束、執(zhí)行器故障及干擾影響下的對接問題,文獻[32]設計了自適應非線性狀態(tài)反饋控制器,確保在無需干擾和故障等不確定先驗知識的情況下閉環(huán)系統(tǒng)的有界穩(wěn)定性,保證了對接任務的順利完成。

隨著智能控制技術的成熟,引入神經網絡模塊可實現對故障有效的實時估計。文獻[33]針對剛性航天器衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行器故障和輸入飽和的情況,利用徑向基神經網絡實現對故障及干擾信息的實時估計,進而基于估計信息設計了帶自適應參數的變結構控制器,保證了姿態(tài)系統(tǒng)良好的容錯性和軌跡跟蹤性能。

可以發(fā)現,基于自適應技術的剛性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯控制研究成果較為豐富,借助人工智能技術或自適應估計技術對干擾、故障及模型不確定性的有效估計進一步提高了重構控制器的控制性能。

2.2.2 基于自適應技術的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)故障補償

當衛(wèi)星系統(tǒng)帶有撓性附件,如帶有大面積拋物線撓性天線和較長的太陽帆板時,其動力學則與剛體衛(wèi)星不同,呈現撓性特性。衛(wèi)星在軌期間,撓性太陽帆板的振動對其姿態(tài)影響很大,且振動模態(tài)因不可測量又給衛(wèi)星系統(tǒng)帶來很大的不確定性。因此在構建姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯機制的同時,需要考慮撓性模態(tài)對控制器的影響,建立撓性處理模塊,以保證姿態(tài)穩(wěn)定和跟蹤性能,滿足任務的需求。

對反作用飛輪驅動下?lián)闲孕l(wèi)星的控制增益矩陣和振動模態(tài)的不確定性進行參數化處理,利用自適應估計參數設計補償控制器可使系統(tǒng)具有良好的自穩(wěn)定性能,實現對執(zhí)行器失控故障有效補償的同時還具有對飛輪轉動以及外部干擾良好的魯棒性能。例如,文獻[34]對包括系統(tǒng)動力學、控制增益矩陣以及太陽帆板振動模態(tài)的不確定性進行了參數化設計,利用自適應方法對不確定參數進行在線估計；然后利用估計參數設計自適應故障補償控制器,保證撓性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和漸近跟蹤性能。因此,由存在的撓性太陽帆板轉動、燃料消耗等使得衛(wèi)星系統(tǒng)轉動慣量發(fā)生變化及執(zhí)行器突發(fā)故障等情況引發(fā)姿態(tài)系統(tǒng)的參數不確定問題,可利用自適應思想,在線估計未知對象參數,利用估計參數設計控制器實現不依賴系統(tǒng)的參數化設計。

為抑制剛性和撓性附件之間的耦合效應,文獻[35]采用了剛體-撓性一體化設計的方法,采用齊次系統(tǒng)理論對動力學模型進行化簡,忽略掉撓性驅動衛(wèi)星姿態(tài)運動學和動力學之間的高階耦合項,設計自適應觀測器獲取撓性信息,后結合反步控制的思想,實現了帶有執(zhí)行器故障的撓性衛(wèi)星姿態(tài)和角速率的鎮(zhèn)定控制。該方法無需在撓性附件上附著執(zhí)行機構,僅通過衛(wèi)星系統(tǒng)自身的助力器,就可以實現對撓性附件引起的彈性震動的有效抑制。與之相對的,當撓性附件上增加了執(zhí)行機構,可采用互聯(lián)系統(tǒng)的設計思想實現控制目標[36]。

可以發(fā)現,對撓性衛(wèi)星的自適應容錯控制成果不多,而且設計思想多利用自適應技術實現對含撓性不確定、故障等信息的估計,均為被動容錯,這就可能出現因估計過大即保守性問題,帶來的能量損耗現象,目前對此還未有統(tǒng)一的研究框架,還需結合衛(wèi)星實際工程應用做進一步探究。

2.2.3 基于滑模控制理論的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制

滑?？刂萍夹g對處理不確定干擾及先驗故障具有很強的魯棒性,這些因素與在軌衛(wèi)星面臨的復雜惡劣環(huán)境相吻合,因此滑?？刂票粡V泛應用于衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)控制問題,有效地處理了衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的強耦合、非線性特性,并保持對干擾、模型不確定性的不敏感,尤其是對處理衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)發(fā)生故障時的情況更為有效。此外,滑模控制技術可使衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)在質量分布發(fā)生緩慢變化及執(zhí)行器嚴重故障的情況下繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)。例如,文獻[37]考慮有執(zhí)行器故障和慣性參數不確定的情況,設計分數階滑模面,結合李雅普諾夫理論和反步法設計被動容錯控制律,實現姿態(tài)跟蹤誤差的漸近收斂。為實現主動容錯,文獻[38]結合故障診斷模塊和非線性積分滑模面,設計了主動容錯控制律,同樣實現跟蹤誤差的漸近收斂。然而,傳統(tǒng)滑?？刂齐m然保證了系統(tǒng)的魯棒性和容錯性,但無法提供有限時間誤差收斂特性,這在很大程度上制約著滑?？刂圃谛l(wèi)星實時系統(tǒng)上的廣泛應用。為提高收斂速度同時避免奇異現象,有限時間和固定時間滑模面被大量學者所研究,并初具成果。以下將分別就這兩方面在剛性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)上的研究情況展開介紹。

1) 剛性衛(wèi)星的滑模容錯控制

① 有限時間控制。文獻[27-38]均實現姿態(tài)漸近收斂,導致其收斂時間無法估計,這可能無法滿足于衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定與機動時間上的需求。為使姿態(tài)系統(tǒng)具有良好的魯棒性、容錯性和快速收斂性,文獻[39]利用有限時間理論和非奇異終端滑?？刂萍夹g設計了被動容錯控制器,使得衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)具有了收斂快、精度高和抗干擾能力強等特性,更好地滿足衛(wèi)星執(zhí)行任務的實時性需求。文獻[40]則結合了反步法和有限時間理論實現衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的有限時間容錯跟蹤。與文獻[39-40]不同的是,文獻[41]則引入有限時間觀測器,對包含故障信息的復雜不確定項設計了有限時間擴展狀態(tài)觀測器,之后結合非奇異快速終端滑?？刂萍夹g重構控制器確保閉環(huán)系統(tǒng)在有限時間內抵達滑模面并保持穩(wěn)定收斂。文獻[42]結合積分終端滑模和自適應技術,設計了一種魯棒自適應滑?？刂破?保證姿態(tài)系統(tǒng)受到不確定性和執(zhí)行器故障的情況下,對跟蹤指令的有限時間跟蹤。針對姿態(tài)跟蹤系統(tǒng),文獻[43]進一步構造了一種快速收斂的時變滑模面,使系統(tǒng)在受模型不確定性、執(zhí)行器故障及外界干擾的影響情況下依舊保持快速、精確的位置跟蹤性能。

此外,模糊系統(tǒng)具有強非線性逼近能力,有學者將其應用于衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)故障、干擾及模型不確定性的逼近。例如文獻[44]利用模糊邏輯來逼近衛(wèi)星系統(tǒng)的含故障和干擾等的復雜非線性項,然后結合PID非奇異快速終端滑模面和自適應反步法得到了被動容控制器,實現快速暫態(tài)響應、小穩(wěn)態(tài)誤差和非奇異特性的有限時間姿態(tài)跟蹤控制。雖然利用人工智能的非線性逼近能力進行容錯控制是一個比較有前景的研究方向,但其計算法量較大的弊端也在一定程度上影響了其在實際衛(wèi)星系統(tǒng)上的實時應用。

② 固定時間控制。為具有固定時間收斂的良好性能,學者在文獻[39-44]有限時間控制的基礎上,進一步探究了基于滑?？刂评碚摰墓潭〞r間控制方法在衛(wèi)星上的應用問題,以期避免收斂時間對系統(tǒng)初始狀態(tài)的依賴。例如,為實現姿態(tài)系統(tǒng)的受執(zhí)行器飽、執(zhí)行器效率損失和加性故障影響下的固定時間穩(wěn)定性,文獻[45]設計了固定時間滑模面,對不確定上界加以自適應機制進行估計,保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為實現姿態(tài)跟蹤誤差的快速收斂和收斂時間可規(guī)定的性能,文獻[46]也將航天器衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的有限時間控制提升到固定時間控制,結合固定時間干擾觀測器和積分滑模面,設計了固定時間收斂律,實現衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)在執(zhí)行器故障及不確定性影響下的固定時間姿態(tài)跟蹤控制。文獻[47]提出了一種新型的非奇異固定時間滑模面,在有效避免了奇異值問題的同時也確保了收斂時間與系統(tǒng)初始狀態(tài)的不相關特性,在衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)受到執(zhí)行器故障和輸入飽和影響的情況下,確保姿態(tài)跟蹤誤差在全局范圍內的固定時間收斂。為保證衛(wèi)星系統(tǒng)對接任務的順利完成和收斂時間的可設計性,文獻[48]考慮了對接任務過程中的固定時間容錯控制問題,在有、無外界干擾的環(huán)境下,考慮執(zhí)行器發(fā)生增益損失故障,借助于一種新型的固定時間滑模面實現控制律的設計,保證了閉環(huán)系統(tǒng)的固定時間穩(wěn)定性,并成功實現了預期的對接任務。

由此可以得知固定時間控制技術是一種時間最優(yōu)的非線性控制方法,其優(yōu)越性不僅僅在于同樣條件下收斂速度更快,而且其抗干擾能力和容錯性能更強,在深空探測響應速度和穩(wěn)定性能實際需求的背景下,固定時間控制無疑是最佳的選用方法之一。

2) 撓性衛(wèi)星的滑模容錯控制

近年來,針對受外界干擾、參數不確定性、未知慣量矩陣及執(zhí)行器故障影響的撓性衛(wèi)星姿態(tài)問題,國內外有學者應用滑?？刂评碚摻鉀Q跟蹤控制問題,設計撓性模態(tài)變量、故障信息和不確定擾動的估計或逼近模塊,結合變結構控制對不確定項的處理能力實現期望姿態(tài)全局漸近跟蹤效果。

目前,滑模控制在撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的應用上還未有太多的成果,文獻[49]針對存在外部干擾、不確定甚至時變轉動慣量的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng),提出了一種改進型自適應滑模容錯控制方案,實現對執(zhí)行器卡死和失效2種故障的容錯控制。文獻[50]考慮撓性衛(wèi)星在模型不確定、外部干擾和執(zhí)行器故障影響下的姿態(tài)跟蹤控制問題,在無需故障診斷模塊的前提下,結合自適應估計和滑?？刂评碚搶崿F誤差的一致有界穩(wěn)定。除對復雜不確定項設計自適應估計機制外,智能估計也有所應用,例如文獻[51]面對撓性不確定影響、執(zhí)行器故障及系統(tǒng)剛性部分不確定性的存在,引入神經網絡對該復雜不確定項進行在線估計,之后設計自適應滑模容錯控制器進行補償,仿真實驗驗證了該思想的有效性。

可以發(fā)現,文獻[49-51]對不確定的實時估計均消除了對上界已知的依賴,保證了撓性衛(wèi)星航天器的在軌運行的魯棒性和容錯性。但在撓性衛(wèi)星航天器的姿態(tài)滑?？刂茊栴}上,收斂時間的問題還未解決,已有控制器均是實現漸近收斂,因此該問題還需得到進一步的解決。

2.2.4 基于預設性能的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制

衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)在未知干擾、執(zhí)行器故障、參數不確定和輸入飽和的情況下,通過對誤差信號的轉換及控制器的設計,使得跟蹤誤差保持規(guī)定的暫態(tài)和穩(wěn)定性能,并能夠收斂于設定的任意小的領域。該方法對未知干擾、執(zhí)行器故障及轉動慣量不確定性具有不敏感性的同時還具有高可靠性和穩(wěn)定性,重要的是可以確保姿態(tài)系統(tǒng)快速的響應和精確的跟蹤性能。

預設性能方法在衛(wèi)星容錯控制領域成果鮮見,文獻[52]較早地嘗試在執(zhí)行器故障及存在輸入飽和情況的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)里運用基于預設性能的控制方法,將跟蹤誤差通過一種新型的誤差轉化機制轉換為一種等效的有界狀態(tài),并進一步結合反步法和自適應技術設計了基于預設性能的被動容錯控制器,確保了衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤誤差在規(guī)定范圍內的漸近收斂。文獻[53]在文獻[52]的基礎上進一步引入了指令濾波器,用以補償執(zhí)行器飽和帶來的負面影響,同樣利用自適應反步法設計了被動容錯控制器,實現預定收斂軌跡。為了減少星上信息傳遞的負擔,文獻[54]引入事件觸發(fā)機制,避免持續(xù)的信息傳遞,然后利用預設性能和反步法設計了容錯跟蹤控制器,對不確定項設計自適應估計機制,實現衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定跟蹤。為了進一步實現對包含飛輪故障及干擾等復雜不確定信息的精確估計,文獻[55]將干擾觀測器和預設性能控制方法進行了結合,將觀測器的實時觀測值引入基于動態(tài)面設計的控制器中,實現對故障和干擾的有效補償,并實現跟蹤誤差的給定軌跡收斂。

可以發(fā)現,基于自適應、滑?？刂评碚摰娜蒎e控制方法僅限于分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,然而當衛(wèi)星發(fā)生執(zhí)行器故障的時候,可能導致其姿態(tài)角超出安全范圍,進而出現失控的情況。隨著預設性能概念的引入,采用性能函數描述預設性能約束,將有誤差約束的跟蹤問題通過特定的誤差轉換變?yōu)闊o約束的鎮(zhèn)定問題,可使系統(tǒng)的動態(tài)過程滿足規(guī)定約束,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。但對基于預設性能的衛(wèi)星容錯控制問題的研究還僅僅處于起步階段,成果很少,還需繼續(xù)做深入研究。

2.2.5 基于干擾觀測器的魯棒容錯控制

通過設計干擾觀測器實現干擾估計并反饋給重構控制器達到對干擾補償的目的,同時可以減小容錯控制器的保守性。此外,干擾觀測器的設計過程相較自適應估計算法簡單、計算量和結構簡便,適合在計算能力和空間受約束的衛(wèi)星上應用。目前,基于干擾觀測器的容錯控制方法在衛(wèi)星容錯問題上正得到日益廣泛的關注。

考慮到衛(wèi)星受執(zhí)行器故障和干擾的影響,文獻[56]首次引入有限時間干擾觀測器,之后利用干擾觀測值重構控制器,結合積分滑模容錯控制理論設計了有限時間被動容錯控制器,實現衛(wèi)星姿態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定。相較于文獻[56],文獻[57] 設計了一種魯棒非線性干擾觀測器進一步改善了重構控制器對干擾的魯棒性,結合自適應和非奇異快速終端滑模控制技術實現有限時間姿態(tài)跟蹤控制。文獻[55]結合非線性擴展狀態(tài)干擾觀測器和預設性能的方法設計被動容錯控制器,進一步改善了姿態(tài)控制系統(tǒng)的暫態(tài)性能。為提高干擾觀測誤差的收斂速度,文獻[46]設計了固定時間干擾觀測器確保觀測誤差的固定時間收斂。為補償非匹配干擾帶來的不良影響,文獻[58] 設計了一種新型的非線性觀測器,結合所設計的滑模故障觀測器和滑模容錯控制器實現對非匹配干擾和故障的補償,保證了衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

可以發(fā)現,針對干擾問題滑模控制是利用高控制增益獲得魯棒性,這必然帶來無法完全消除的抖振問題,而通過利用干擾觀測器給出系統(tǒng)未知干擾、故障、未建模動態(tài)的不確定觀測器,可抑制滑模抖振問題、有效降低控制器輸出力矩,防止執(zhí)行機構飽和,這對在軌資源有限的衛(wèi)星系統(tǒng)來說顯得尤為重要。目前在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)上利用干擾觀測器來設計容錯控制器的思想已經獲得相應的研究成果,尤其是固定時間觀測器的應用可顯著提升衛(wèi)星系統(tǒng)對干擾的觀測效率,進一步提升控制器的控制效果。

2.2.6 基于故障估計觀測器的主動容錯控制

基于故障估計觀測器的主動容錯技術是采用一個變化的控制結構或控制形式,在故障發(fā)生后需要結合故障診斷和辨識模塊重新調整控制器參數,進而改變控制結構,因此依賴于故障診斷模塊的精確故障觀測值。利用觀測值重構控制器可更好地解決被動容錯控制中的保守性問題,此外,主動容錯設計方法、手段多樣化,結合不同的診斷和控制方法將會得到不同的容錯控制器,目前在衛(wèi)星系統(tǒng)上已有不同代表性成果,下面將對此展開介紹。

目前,主動容錯技術在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中已有不少代表性的成果。例如,文獻[38]考慮衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)執(zhí)行器故障情況,基于多模型方法,設計了無跡卡爾曼濾波器實現對未知故障參數的精確估計,之后利用濾波器信息結合PD控制器實現對姿態(tài)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制。文獻[59]設計了一種自適應非線性故障估計觀測器,然后利用觀測信息進一步結合反步法和自適應技術設計了主動容錯控制器,保證姿態(tài)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定。迭代學習觀測器在文獻[60]中被用來設計故障診斷模塊,實現對時變故障的快速估計,然后利用觀測信息設計了基于滑?？刂萍夹g的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)有限時間鎮(zhèn)定控制器。文獻[61]設計了故障檢測與辨識模塊,基于該模塊引入虛擬控制量設計了反步法容錯控制器,該方法不但具有良好的容錯性而且也彌補了執(zhí)行器飽和及可能存在的故障估計誤差帶來的影響。自適應滑模觀測器在文獻[62]中被用來觀測衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)執(zhí)行器的乘性和加性故障值,并結合快速終端滑?？刂品椒▽崿F閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定,其中外界干擾引入神經網絡進行逼近,仿真驗證了該方法具有良好的鎮(zhèn)定和跟蹤性能。文獻[63]中提出了一種基于參數自適應觀測器的主動容錯控制方案,利用該觀測器可實現有外界干擾情況下的故障估計,而且具有有限時間收斂特性,之后利用故障觀測信息和積分滑?？刂萍夹g設計了姿態(tài)跟蹤控制器,保證衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤誤差的漸近收斂。

可以發(fā)現,基于故障估計的主動容錯控制技術在衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)上的研究成果也相對頗豐,對故障參數值的有效估計保證了主動容錯控制器具有良好的控制性能。

關于對上述5種容錯控制方法性能的比較,見表1。

表1 單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制方法對比

2.3 多衛(wèi)星編隊容錯控制

面對越來越復雜的空間任務,單體衛(wèi)星航天器系統(tǒng)已經無法滿足需求。衛(wèi)星航天器編隊系統(tǒng)[64-66]由多個獨立的衛(wèi)星組成,各衛(wèi)星通過星載通訊設備與其他衛(wèi)星進行信息交互,能夠突破單體衛(wèi)星系統(tǒng)的局限,完成單體衛(wèi)星無法完成的任務。然而,衛(wèi)星編隊系統(tǒng)中任何一個部件發(fā)生故障都有可能帶來巨大的損失,甚至造成無法挽回的后果,因此對衛(wèi)星編隊系統(tǒng)進行容錯控制研究具有重要的理論研究意義和工程應用價值。沿著2.2節(jié)闡述的容錯思路,當編隊系統(tǒng)中的衛(wèi)星發(fā)生故障時,一個自然的想法就是調節(jié)故障衛(wèi)星的控制器,而多衛(wèi)星的存在為容錯控制提供了更豐富的手段。針對第1節(jié)提到的3個科學問題,下面將從獨立容錯、協(xié)同容錯、拓撲重構和組成重構4個角度分別闡述編隊容錯控制的思路和方法。

2.3.1 基于衛(wèi)星個體控制的獨立與協(xié)同容錯

針對如何及時抵消故障對衛(wèi)星編隊系統(tǒng)影響的這個問題,本小節(jié)分別從重構故障子系統(tǒng)自身控制器和重構所有子系統(tǒng)控制器這兩個角度,介紹了現有文獻里衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的兩種容錯控制方案,并對其制造成本和有效載荷進行了討論。

1) 獨立容錯。當某個衛(wèi)星發(fā)生故障時,調節(jié)該故障衛(wèi)星自身的控制器來補償故障對該衛(wèi)星的影響,這種思想稱之為獨立容錯,是2.2節(jié)容錯思路的直接應用。文獻[67]針對執(zhí)行器故障下的串聯(lián)式繩系衛(wèi)星系統(tǒng),只針對故障衛(wèi)星重構其控制器,且所有衛(wèi)星采用分散式結構進行控制器設計,即只利用自身狀態(tài)信息和自身故障信息來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。當整個系統(tǒng)之間的耦合滿足小增益條件時,故障下的系統(tǒng)穩(wěn)定性就能夠得到保證。采用分散式控制結構使得子系統(tǒng)不需要額外的測量設備和傳感設備去獲取其他子系統(tǒng)的信息并,因此降低了衛(wèi)星的制造成本,增加了衛(wèi)星的有效載荷。文獻[32]針對由2個衛(wèi)星組成的編隊中存在的交會對接問題,當追隨者執(zhí)行器受到外部擾動和發(fā)生部分失效故障時,僅重構追隨者自身的控制器來補償故障的影響,完成交會對接任務。

2) 協(xié)同容錯。由于多體衛(wèi)星之前存在耦合,從多體衛(wèi)星全局出發(fā),充分利用健康子系統(tǒng)信息、故障子系統(tǒng)信息和耦合機制來進行協(xié)同容錯控制也是一種有效的手段。文獻[68]針對主從結構下的多體衛(wèi)星系統(tǒng)跟蹤控制問題,每個子系統(tǒng)利用鄰接子系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息,設計魯棒控制器從而來抵消執(zhí)行器故障對整個編隊系統(tǒng)的影響。文獻[69]分別考慮了有向通訊和無向通訊下的衛(wèi)星編隊容錯控制問題,當某個衛(wèi)星發(fā)生執(zhí)行器故障時,同時重構健康衛(wèi)星和故障衛(wèi)星的控制器,采用自適應終端滑模控制方案通過協(xié)同作用來補償執(zhí)行器故障和外界擾動的影響,實現了衛(wèi)星編隊的有限時間姿態(tài)一致。文獻[70]針對多柔性航天器系統(tǒng),也采用類似的思想,各子系統(tǒng)用分布式的控制器結構通過協(xié)同控制來抑制系統(tǒng)參數不確定性和執(zhí)行器故障對系統(tǒng)跟蹤性能的負面影響。在協(xié)同容錯方案中,采用分布式結構的容錯控制器要求子系統(tǒng)能夠獲取并利用其鄰接子系統(tǒng)狀態(tài)信息,其測量儀器和傳感器數目要多于分散式控制結構下的儀器數目,因此制造成本更高,有效載荷更少；而采用集中式結構的協(xié)同容錯控制方案,其實現成本最高,不適用于大規(guī)模編隊系統(tǒng)。

2.3.2 面向網絡層面的拓撲和組成重構

獨立與協(xié)同容錯方法著眼于調節(jié)正常和故障航天器的控制器。除此之外,若部分子系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障甚至完全損壞時,從編隊系統(tǒng)的網絡層面考慮基于拓撲和組成重構的容錯機制,也是一種行之有效的思路。

1) 拓撲重構。一旦多體衛(wèi)星之間出現網絡通訊故障,上述兩種容錯控制思想就存在局限性。網絡通訊故障可能導致子系統(tǒng)之間的通訊發(fā)生中斷,因此原有的通訊拓撲結構就被破壞,新的通訊需要生成,衛(wèi)星之間的拓撲結構需要進行重構,該容錯控制思想即為拓撲重構。文獻[71]針對深空多體衛(wèi)星編隊控制問題,一旦某兩個衛(wèi)星之間的視距測量系統(tǒng)發(fā)生故障,它們之間原有的通訊失效,則整個編隊系統(tǒng)就改變原有的通訊拓撲,發(fā)生通訊故障的系統(tǒng)通過中間的子系統(tǒng)來間接獲取相對位置信息,選擇最優(yōu)的間接通訊方式重新實現編隊完成空間任務。文獻[72]針對衛(wèi)星編隊的一致跟蹤問題,考慮某個衛(wèi)星執(zhí)行器的失效故障,通過改變虛擬領航者和跟隨者之間的拓撲通訊方式,切斷和新增部分子系統(tǒng)之間的通訊,保證了故障和受擾動下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2) 組成重構。上述3種容錯控制方案都是基于多衛(wèi)星系統(tǒng)結構完整的情況下進行容錯控制,但是一旦某個衛(wèi)星發(fā)生嚴重故障從而無法繼續(xù)參與編隊完成空間任務時,則必須對多體衛(wèi)星系統(tǒng)的組成進行重構。文獻[73]針對一類多體衛(wèi)星編隊容錯控制問題,采用“即插即用”的思想,使得故障衛(wèi)星脫離編隊或與新的正常衛(wèi)星對接,來消除某個衛(wèi)星故障對整個多體衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的影響。該容錯控制方案不需要重構任何單體衛(wèi)星的控制器就能達到容錯目的。編隊系統(tǒng)組成的可變性為多體衛(wèi)星的容錯控制提供了更多的選擇。

3 展 望

衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯控制已經取得了較為豐碩的研究成果,但要使衛(wèi)星在太空工作過程中保持高質量的運行狀態(tài),仍需在一些不足之處做進一步研究。針對未來可能出現的新問題和新方法,本文進行了相應的展望：

1) 故障系統(tǒng)的重構性研究

目前,衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可重構性研究主要集中于定性分析,量化結果較少。另一方面,由于衛(wèi)星任務復雜,限制因素多,目前的可重構性研究結果通用性差,無法廣泛應用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)。同時,針對故障系統(tǒng)的可重構性研究,考慮的故障類型還不夠豐富,仍需進一步完善。

2) 衛(wèi)星被動容錯控制研究

目前存在的剛性/撓性衛(wèi)星被動容錯控制器多假設故障及干擾存在上界,然后設計自適應估計率實現上界估計,基于估計的上界值進一步設計容錯控制器。因此,這不可避免地造成控制器的保守性,進而造成在軌衛(wèi)星的能量損失從而導致衛(wèi)星在軌壽命的減少。目前,還沒有統(tǒng)一的針對保守性問題的系統(tǒng)性研究框架,因此還需要對此做進一步研究。

3) 撓性衛(wèi)星容錯控制研究

現有的容錯控制器多為基于模型設計,所以對撓性衛(wèi)星的精確建模就顯得尤為重要,但目前建模相關的研究還不夠深入,仍有待進一步研究,以實現精確建模。

4) 衛(wèi)星編隊容錯控制研究

衛(wèi)星編隊容錯控制問題上主要面臨兩方面的挑戰(zhàn)：目前研究的編隊隊形還不夠豐富和編隊容錯航行過程中的避障問題還沒有展開系統(tǒng)性的研究。為解決編隊隊形的問題,未來可以考慮更一般的衛(wèi)星模型以及更多的編隊隊形以滿足實際的空間任務需求。其次,未來可以從切換系統(tǒng)的角度來研究衛(wèi)星編隊飛行中的容錯及避障控制問題,整個避障過程可以看作是原切換系統(tǒng)的一種新模式,通過對切換律的修改來進行容錯控制,該思想具有一定的理論意義和潛在的實際應用價值。