航天器控制新算法：抗击极端干扰，实现高精度飞行

一个国际研究团队发布了一种航天器姿态控制系统，该系统能够即使在极端和不可预测的太空干扰下，保证在预定时间内实现精确的稳定和机动。

发表于在 IEEE工业电子学报，这项研究名为“基于预定义时间干扰观测器的航天器姿态跟踪控制：解决任意干扰的问题”，由韩国世宗大学的阮春蒙博士领导，团队成员来自中国和台湾。

航天器控制面临的最大挑战

姿态控制——精确控制航天器的能力——仍然是现代航空航天工程中的一个主要障碍。太阳压力、重力扭矩和执行器不确定性等外部干扰很容易破坏稳定性。现有的控制算法通常依赖于对干扰行为的近似或假设，这限制了它们在实际任务中的灵活性。

为了克服这些限制，研究人员引入了一种预定义时间扰动观察器（DO），结合了非奇异滑模控制器，确保估计和跟踪误差在用户指定的时间内收敛到零，无论初始条件如何。

这意味着航天器可以在规定的时间内精确调整轨道——这是对时间敏感的任务（如卫星对接或碎片规避）至关重要的特性。

关键创新：‘预定义时间’的概念

与传统的有限时间或固定时间控制系统不同——在这些控制系统中，收敛时间取决于初始状态或复杂的参数调整——新方法提出了一种基于有界反正切函数的数学标准。

这种设计允许工程师明确指定最大稳态时间，而不会高估干扰或降低性能。预定义时间观察器快速恢复未知系统不确定性和外部扭矩，即使在突然冲击或执行器故障期间也能保持准确性。

“观察器不需要连续或平滑的干扰，”作者解释道。“即使在环境突然变化时，它也能正常运作——例如，在卫星碰撞或高强度太阳辐射事件期间。”

通过仿真和实时实验验证了他们的方法

团队使用 MATLAB/Simulink 仿真和 Speedgoat 实时实验模拟了在现实不确定性下的航天器动态。

在一个场景中，航天器成功跟踪了复杂的旋转机动，同时受到时变惯性、环境扭矩和执行器故障。结果显示：

• 在预定义的限制内更快收敛。
• 提高了能源效率——与之前的方法相比，控制力度减少了多达70%。
• 对不可预测的外部冲击表现出很强的鲁棒性

实验测试结果确认，该系统的姿态和角速度误差远低于其他竞争控制算法。

对航空航天和机器人技术的广泛影响

这个预定义时间框架可能会重新定义在不确定条件下需要精确操作的航天器任务。潜在的应用包括：

• 自主对接与加油任务。
• 低地球轨道卫星的高速姿态修正。
• 行星着陆器及灵活空间结构的稳健控制。

超越太空，这种方法可能会影响机器人技术、无人机和工业自动化，在这些领域，预定义时间收敛确保了安全关键环境中的稳定性。

“我们的方法为在任意干扰下实现高精度控制提供了通用解决方案，”首席作者阮春梦博士说。“它弥合了理论与现实世界之间的实施差距，为下一代自主航天器的发展奠定了基础。”

更多详情：阮春梦等，基于预定义时间干扰观测器的航天器姿态跟踪控制：针对任意干扰的解决方案，IEEE工业电子学报（2025）。 DOI: 10.1109/tie.2024.3519596