Следящее управление ориентацией космического аппарата на основе метода бэкстеппинга с предопределенным временем при неопределенности матрицы инерции и внешних возмущениях

Рассматривается задача следящего управления ориентацией жесткого космического аппарата при неопределенности матрицы инерции и действии ограниченных внешних возмущений. Ориентационное движение описывается с использованием модифицированных параметров Родрига. Для объединения параметрических неопределенностей и внешних воздействий вводится обобщенное возмущение, оценивание которого выполняется нелинейным расширенным наблюдателем состояния с конечным временем сходимости ошибки оценивания. На основе метода бэкстеппинга синтезирован закон следящего управления с предопределенным временем. Его параметризация позволяет непосредственно задавать требуемую верхнюю границу времени переходного процесса, не связывая ее с начальными условиями системы. Для замкнутой системы получены условия практической устойчивости с предопределенным временем; доказательство основано на прямом методе Ляпунова. Численное моделирование проведено для трехосного движения космического аппарата при периодических возмущениях и изменяющейся матрице инерции. Сопоставление с регулятором с фиксированным временем сходимости показывает, что предлагаемый подход обеспечивает настраиваемую длительность переходного процесса, малые ошибки отслеживания ориентации и ограниченные управляющие моменты. Вычислительная структура сохраняет явную связь параметра настройки с требуемым временем маневра. Полученные результаты подтверждают применимость разработанного закона управления к задачам высокоточного ориентационного маневрирования.

1. Zhang J., Zhao W., Shen G., Xia Y. Disturbance observer-based adaptive finite-time attitude tracking control for rigid spacecraft. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. 2021;51(11):6606–6613. https://doi.org/10.1109/TSMC.2019.2947320

2. Gao Sh., Liu X., Jing Y., Dimirovski G. A novel finite-time prescribed performance control scheme for spacecraft attitude tracking. Aerospace Science and Technology. 2021;118(11):107044. https://doi.org/10.1016/j.ast.2021.107044

3. Zou A.-M., Kumar K.D., de Ruiter A.H.J. Fixed-time attitude tracking control for rigid spacecraft. Automatica. 2020;113(4):108792. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2019.108792

4. Jiang B., Li Ch., Hou Sh., Ma G. Fixed-time attitude tracking control for spacecraft based on adding power integrator technique. International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2020;30(6):2515–2532. https://doi.org/10.1002/rnc.4897

5. Xie Sh., Chen Q., He X. Predefined-time approximation-free attitude constraint control of rigid spacecraft. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2023;59(1):347–358. https://doi.org/10.1109/TAES.2022.3183550

6. Cao T., Gong H., Han B. Observer-based predefined-time attitude control for spacecraft subject to loss of actuator effectiveness. Processes. 2022;10(11):2294. https://doi.org/10.3390/pr10112294

7. Hu L., Wang Z., Chen Ch., Yue H. Adaptive approximate predefined-time guaranteed performance control of uncertain spacecraft. Mathematics. 2025;13(5):832. https://doi.org/10.3390/math13050832

8. Du H., Zhang J., Wu D., Zhu W., Li H., Chu Zh. Fixed-time attitude stabilization for a rigid spacecraft. ISA Transactions. 2020;98(4):263–270. https://doi.org/10.1016/j.isatra.2019.08.026

9. Li B., Hu Q., Yang Y. Continuous finite-time extended state observer based fault tolerant control for attitude stabilization. Aerospace Science and Technology. 2018;84:204–213. https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.10.006

10. Wu C., Yan J., Shen J., Wu X., Xiao B. Predefined-time attitude stabilization of receiver aircraft in aerial refueling. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2021;68(10):3321–3325. https://doi.org/10.1109/TCSII.2021.3067695

11. Zhang J., Biggs J.D., Ye D., Sun Zh. Extended-state-observer-based event-triggered orbit-attitude tracking for low-thrust spacecraft. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2020;56(4):2872–2883. https://doi.org/10.1109/TAES.2019.2955257

12. Wu Y.-Y., Zhang Y., Wu A.-G. Attitude tracking control for rigid spacecraft with parameter uncertainties. IEEE Access. 2020;8:38663–38672. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2974572