Anti-disturbance and fault-tolerant control of dual-satellite formation configuration maintenance

CHEN Gao-jie; CHANG Lin; YANG Xiu-bin; YANG Chun-lei; LI Yan-bo

doi:10.37188/OPE.20212903.0605

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Anti-disturbance and fault-tolerant control of dual-satellite formation configuration maintenance

更新时间：2026-09-11

- Anti-disturbance and fault-tolerant control of dual-satellite formation configuration maintenance
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 3, Pages: 605-615(2021)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
  3.中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室，吉林长春 130033
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212903.0605
  CLC： V448.2
- Received：02 December 2020，
  
  Revised：2021-01-22，
  
  Published：15 March 2021
- 稿件说明：
移动端阅览
陈高杰,常琳,杨秀彬等.双星编队构形保持抗干扰容错控制[J].光学精密工程,2021,29(03):605-615.

CHEN Gao-jie,CHANG Lin,YANG Xiu-bin,et al.Anti-disturbance and fault-tolerant control of dual-satellite formation configuration maintenance[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):605-615.
陈高杰,常琳,杨秀彬等.双星编队构形保持抗干扰容错控制[J].光学精密工程,2021,29(03):605-615. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0605.

CHEN Gao-jie,CHANG Lin,YANG Xiu-bin,et al.Anti-disturbance and fault-tolerant control of dual-satellite formation configuration maintenance[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):605-615. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0605.

摘要

为解决系统模型误差、外部干扰以及执行器故障引起的双星编队轨道控制精度低、稳定性差问题，设计一种基于观测器的抗干扰容错线性二次型调节器（LQR）控制策略。首先，根据编队双星相对运动动力学模型，设计基于双比例积分自适应律的增广观测器，同时实现对系统状态、间歇故障与快速时变故障、可建模干扰的快速精确估计，并采用

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=117804044&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=117804015&type=

4.57200003

3.21733332

优化技术抑制不可建模干扰对控制系统的影响。其次，采用Lyapunov稳定性理论，保证动态误差系统渐近稳定。然后，在控制器中引入未知动态估计信息的前馈补偿项，设计闭环反馈抗干扰容错LQR控制律。最后实验结果表明，相比文献中控制方法，本文所提方法的编队卫星相对位置控制精度提高49.93%，验证了所设计的抗干扰容错LQR控制律的优越性，能够为双星编队构形保持提供精确控制策略。

Abstract

To solve the problem of low precision and poor stability of dual-satellite formation orbit control caused by system modeling errors， external disturbances， and actuator faults， this paper proposes an anti-disturbance and fault-tolerant linear quadratic regulator （LQR） control strategy based on an observer. First， according to a relative motion dynamic model of two satellites， an augmenting observer is designed based on the double proportional integral adaptive law， which not only can estimate intermittent faults and fast time-varying faults， but can also simultaneously estimate the system state and disturbance quickly and accurately. Regarding unmodeled disturbances， the optimization technology is used to suppress their influence on the control system. Second， the existence condition and design method of the observer are given using the linear matrix inequality （LMI） technique. The asymptotic stability of the dynamic error system is guaranteed using Lyapunov stability theory. Then， a closed-loop feedback fault-tolerant and anti-interference LQR control law is designed by adding feedforward compensation to the controller using unknown dynamic estimation information. Finally， the experimental results show that the proposed method can accurately and quickly track external interferences， actuator faults， and system states. Compared with the control methods reported in the literature， the proposed method significantly enhances the accuracy of fault estimation and improves by 49.93% the relative position control accuracy of formation satellites. This verifies the superiority of the anti-interference fault-tolerant LQR control law， which can provide an accurate configuration maintenance control strategy for dual-satellite formation configuration maintenance.

关键词

Keywords

references

LIU G P ， ZHANG S J . A survey on formation control of small satellites ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2018 ： 440 - 457 .

方元坤，袁斌文，孟子阳，等 . 分布式遥感编队多星协同观测中的姿态控制［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 1 ）： 58 - 68 .

FANG Y K ， YUAN B W ， MENG Z Y ， et al . . Attitude control in multi-satellite cooperative observations for distributed remote sensing ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 1 ）： 58 - 68 . （in Chinese）

孙俊，黄静，张宪亮，等 . 地球轨道航天器编队飞行动力学与控制研究综述［J］. 力学与实践， 2019 ， 41 （ 2 ）： 117 - 136 .

SUN J ， HUANG J ， ZHANG X L ， et al . . Dynamics and control of spacecraft formation flying in Earth orbit ［J］. Mechanics in Engineering ， 2019 ， 41 （ 2 ）： 117 - 136 . （in Chinese）

高世杰，吴佳彬，刘永凯，等 . 微小卫星激光通信系统发展现状与趋势［J］. 中国光学， 2020 ， 13 （ 6 ）： 1171 - 1181 .

GAO SH J ， WU J B ， LIU Y K ， et al . . Development status and trend of micro-satellite laser communication systems ［J］. Chinese Optics ， 2020 ， 13 （ 6 ）： 1171 - 1181 . （in Chinese）

杨婧，侯建文，史小平 . 挠性航天器轨控期间姿态容错控制［J］. 电机与控制学报， 2015 ， 19 （ 7 ）： 111 - 116 .

YANG J ， HOU J W ， SHI X P . Fault tolerant attitude control of flexible spacecraft during orbit control ［J］. Electric Machines and Control . 2015 ， 19 （ 7 ）： 111 - 116 . （in Chinese）

马广富，董宏洋，胡庆雷 . 考虑避障的航天器编队轨道容错控制律设计［J］. 航空学报， 2017 ， 38 （ 10 ）： 321129 .

MA G F ， DONG H Y ， HU Q L . Fault-tolerant translational control for spacecraft formation flying with collision avoidance requirement ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica sinica ， 2017 ， 38 （ 10 ）： 321129 . （in Chinese）

KEKE SHI ， CHUANG LIU ， JAMES D . BIGGS ，

et al . . Observer-based control for spacecraft electromagnetic docking ［J］. Aerospace Science and Technology ， 2020 ： 1 - 16 .

张威，王嘉轶 . 一种微纳航天器编队的故障构型重构方法［J］. 航空兵器， 2017 （ 5 ）： 75 - 82 ．

ZHANG W ， WANG J Y ． A method for fault reconfiguration of micro-nano spacecraft flying formation ［J］. Aero Weaponry ， 2017 （ 5 ）： 75 - 82 . （in Chinese）

XIAO B ， HU Q L ， FriswellMichael I . Active fault-tolerant attitude control for flexible spacecraft with loss of actuator eﬀectiveness ［J］. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing ， 2013 ， 27 （ 11 ）： 925 - 943 .

HAN ZH G ， ZHANG K ， YANG T S . Spacecraft attitude control using non-singular finite time convergence terminal sliding mode ［C］. IEEE Chinese Guidance ， Navigation and Control Conference ， 2016 ： 618 - 623 .

赵琳，王艺鹏，郝勇 . 在轨飞轮故障诊断混合框架设计［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1728 - 1740 .

ZHAO L ， WANG Y P ， HAO Y . Design of hybrid frame for on-orbit flywheel fault diagnosis ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1728 - 1740 . （in Chinese）

ZHOU F ， CAO K . Formation fault tolerant control of multi-UAV based on virtual actuator ［C］. 2018 5th IEEE International Conference on Cloud Computing and Intelligence Systems （CCIS）. IEEE ， 2018 ： 28 - 32 .

XUE Y X ， ZHEN Z Y ， YANG L Q ， et al . . Adaptive fault-tolerant control for carrier-based UAV with actuator failures ［J］. Aerospace Science and Technology ， 2020 ： 1 - 10 .

徐殿国，刘晓峰，于泳 . 变频器故障诊断及容错控制研究综述［J］. 电工技术学报， 2015 ， 30 （ 21 ）： 1 - 12 .

XU D G ， LIU X F ， YU Y . A survey on fault diagnosis and tolerant control of inverters ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2015 ， 30 （ 21 ）： 1 - 12 . （in Chinese）

夏先齐，张葆，李贤涛，等 . 基于扩张状态观测器的永磁同步电机低速滑模控制［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 12 ）： 2628 - 2638 . （in Chinese）

XIA X Q ， ZHANG B ， LI X T ， et al . . Low speed silde mode control of permanent magnet syschronous motor based on extended state observer ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 12 ）： 2628 - 2638 .

胡寿松，范存海，王永 . 卫星轨道保持的分散容错控制［J］. 宇航学报， 1995 ， 16 （ 4 ）： 76 - 80 .

HU SH S ， FAN C H ， WANG Y . Decentralized fault tolerant control for trajectory maintenance of satellite ［J］. Journal of Astronautics ， 1995 ， 16 （ 4 ）： 76 - 80 . （in Chinese）

程瑶 . 卫星姿态控制系统的混合故障诊断方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2016 .

CHENG Y . The Combined Approach for Fault Diagnosis of Satellite Attitude Control System ［D］. Harbin ： Harbin Institude of Technology ， 2016 . （in Chinese）

HENRY D . Fault diagnosis of microscope satellite thrusters using filters ［J］. Journal of Guidance ， Control ， and Dynamics ， 2008 ， 31 （ 3 ）： 699 - 711 .

马小山，董文瀚，李炳乾 . 考虑拓扑故障的无人机编队容错控制方法研究［J］. 西北工业大学学报， 2020 ， 38 （ 5 ）： 1084 - 1093 .

MA X SH ， DONG W H ， LI B Q . A fault-tolerant control method for unmanned aerial vehicle（UAV） Formation with topological faults considered ［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University ， 2020 ， 38 （ 5 ）： 1084 - 1093 . （in Chinese）

温生林，闫野，易腾 . 超低轨道卫星摄动特性分析及轨道维持方法［J］. 国防科技大学学报， 2015 ， 37 （ 2 ）： 128 - 134 .

WEN SH L ， YAN Y ， YI T . Analyzing perturbation characteristic and orbital maintenance strategy for super low altitude satellite ［J］. Journal of National Defense University of science and technology ， 2015 ， 37 （ 2 ）： 128 - 134 . （in Chinese）

CLOHESSY W H ， WILTSHIRE R S . Terminal guidance system for satellite rendezvous ［J］. J . Aerospace Sci. ， 1960 ， 27 （ 9 ）： 653 - 674 .

YANG P ， MA B ， DONG Y ， et al . . Fault-tolerant consensus of leader-following multi-agent systems based on distributed Fault estimation observer ［J］. International Journal of Control ， Automation and Systems ， 2018 ， 16 （ 5 ）： 2354 - 2362 .

HAN J ， ZHANG H G ， WANG Y C ， et al . . Disturbance observer based fault estimation and dynamic output feedback fault tolerant control for fuzzy systems with local nonlinear models ［J］. ISA Transactions ， 2015 ， 59 ： 114 - 124 .

Views

653

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Decoupled layered attitude control for spherical optoelectronic imaging platforms

Design of robust disturbance observer under load variation for piezoelectric positioning platform

Equivalent strapdown inertial stability control of photoelectric platform considering the effect of mounting base

Simultaneous stress-strain measurement using digital speckle pattern interferometry

6-DoF pose estimation and real-time system for complex articulated objects

Related Author

MENG Dezhi

WANG Yutang

TIAN Dapeng

DUAN Shiyu

LIU Haotian

ZHANG Guilin

Zhong-shi WANG

Da-peng TIAN

Related Institution

Laboratory of Dynamic Optical Imaging and Measurement， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences

College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology

Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences

University of Chinese Academy of Sciences

Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement, Chinese Academy of Sciences

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰