(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108628331 A(43)申请公布日 2018.10.09
(21)申请号 2018104361.7(22)申请日 2018.05.09
(71)申请人 北京航空航天大学
地址 100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人 乔建忠 谷亚培 郭雷 李文硕
朱玉凯 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责
任公司 11251
代理人 安丽 成金玉(51)Int.Cl.
G05D 1/08(2006.01)G05B 13/02(2006.01)G05B 13/04(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图1页
(54)发明名称
一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法
(57)摘要
本发明涉及一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法,针对复杂空间环境下航天器传感器受到攻击的姿态控制问题,首先，建立含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型；其次，在不考虑传感器攻击下，设计干扰观测器，对系统受到的外部环境干扰进行估计；再次，基于外部环境干扰估计值，设计输出滤波器及未知输入学习观测器，对传感器信息中的攻击信号进行估计；最后，结合攻击信号估计值及外部环境干扰估计值，设计复合控制器，构造出一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法。本发明具有抗干扰性高、可靠性高、工程实用性强的特点，适用于传感器信息受攻击情况下航天器姿态控制系统的高精度、高可靠控制。
CN 108628331 ACN 108628331 A
权 利 要 求 书
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1.一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，建立含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型；第二步，基于所述航天器姿态控制系统模型，在不考虑传感器攻击的情况下，设计干扰观测器，对航天器姿态控制系统受到的外部环境干扰进行估计，得到外部环境干扰估计值；
第三步，基于所述外部环境干扰估计值，设计输出滤波器及未知输入学习观测器，对所述传感器中的攻击信号进行估计，得到攻击信号估计值；
第四步，结合所述攻击信号估计值及所述外部环境干扰估计值，设计复合控制器，从而实现空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿态控制。
2.根据权利要求1所述的一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，其特征在于：所述第一步中建立含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型如下：
含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型Σ1为：
其中，t表示时间，x(t)＝[x1(t) x2(t)]T为系统状态，
为系统状态的时间导数，θ、ψ分别为航天器的滚转角、俯仰角
及偏航角，
分别为滚转角速度、俯仰角速度及偏航角速度；u(t)为控制输入，d
为传感器信息攻击信号；A、B、C、D为适维的已知常值系数矩阵。
(t)为由外部环境干扰，
3.根据权利要求1所述的一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，其特征在于：所述第二步具体实现如下：
外部环境干扰d(t)由如下外部模型描述Σ2：
其中，ω(t)为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵
V为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数。
在不考虑传感器攻击情况在，对于外部模型Σ2设计干扰观测器Σ3为：
其中，表示w(t)的估计值，表示的一阶导数，L1为干扰观测器的增益矩阵，v
(t)为辅助变量，表示v(t)的一阶导数。
4.根据权利要求1所述的一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，其特征在于：所述第三步具体实现如下：
首先针对含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型Σ1，设计如下输
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出滤波器Σ4：
其中，状态
是输出滤波器的状态，
是赫尔维兹矩阵；
为输出滤波器状态
的一阶导数，y(t)为
系统Σ1的传感器输出，
结合含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统Σ1和输出滤波器Σ4，令
建立增广系统模型Σ5：
其中，的输出，
为增广系统Σ5的状态，是关于时间t的一阶导数，为增广系统Σ5
在上述增广系统Σ5的基础上，为实现对传感器攻击信号学习未知输入观测器Σ5：
的估计，设计如下形式的
其中，z(t)是学习未知输入观测器Σ6的状态，增广系统Σ3状态x(t)的估计值，扰d(t)的估计值，
是z(t)关于时间t的一阶导数，
的估计值，
为
为增广系统Σ5输出为外部环境干
为传感器攻击信号的估计值，τ为学习时间间隔，为正常值，
为t-τ时刻的传感器攻击信号估计值，T、H、L2、K1、K2为待设计的适维观测器矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，其特征在于：所述第四步中结合攻击信号估计值及外部环境干扰估计值，设计复合控制器：
其中，K3为控制器增益，y(t)为系统Σ1的传感器输出，值，
为传感器攻击信号
的估计值。
为外部环境干扰d(t)的估计
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说 明 书
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一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，可以实现传感器攻击与外部环境干扰的同时估计与抵消，可用于复杂空间环境下航天器传感器受攻击情况下航天器自讨控制系统的高精度、高可靠性控制。背景技术
[0002]随着空间军事化的快速演变，外层空间逐渐成为当今世界各国维护和切身利益的战略制高点，军事领域的对抗也随之拓展到了外层空间。航天器在空间对抗中不仅能作为一种武器精准打击地面目标，而且还可以提供关键的战场侦察情报、导航定位、导弹预警等重要信息，因此，对航天器进行攻击使之无法正常工作甚至坠毁已成为空间对抗的重要任务。作为航天器平台所携带的重要载荷之一，一旦传感器受到攻击，将严重影响航天器预定的功能。例如，利用大功率干扰机对传感器实施定向大功率噪声干扰能有效降低传感器的工作性能；发射与真实信号相似的干扰信号，造成错误识别与判断，使其形成虚假定位等。与此同时，航天器控制系统还面临着以下严峻挑战：一方面太阳光压力矩、气动力矩等环境干扰影响着航天器控制的精度；另一方面，由于制造工艺的欠缺及复杂空间环境的影响，使得航天器传感器即使在没有受到攻击情况下仍然会发生故障。因此，研究复杂空间环境下航天器传感器受攻击系统的抗干扰容错控制具有重要的实际价值。[0003]目前，针对传感器信息攻击并同时含有外部描述模型干扰的抗干扰容错问题，中国专利申请号201610394941.7提出了一种基于动态输出反馈的柔性航天器主动容错控制方法，但该专利在利用输出估计残差信号和滤波器对传感器故障的真实值进行在线估计时未考虑环境干扰对故障重构精度的影响；中国专利申请号201710379752.7提出了一种柔性航天器传感器故障调节方法，但该专利一方面采用滑模控制方法，造成系统抖振；另一方面未考虑传感器故障与环境干扰的耦合性对故障重构精度的影响。综上所述，亟需解决复杂空间环境下航天器传感器受攻击时，实现航天器姿态控制系统的高精度、高可靠性控制。发明内容
[0004]本发明的技术解决问题是：针对复杂空间环境下，航天器控制系统不仅受到空间环境干扰，传感器传感器系统同时受到攻击情况下的航天器控制问题，设计了一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，具有抗干扰性高、可靠性高、工程实用性强的优点。
[0005]本发明及技术解决方案为：针对复杂空间环境下航天器传感器受到攻击的姿态控制问题；首先，建立含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型；其次，在不考虑传感器攻击下，设计干扰观测器，对系统受到的外部环境干扰进行估计；再次，基于外部环境干扰估计值，设计输出滤波器及未知输入学习观测器，对传感器信息中的攻击信号进行估计；最后，结合攻击信号估计值及外部环境干扰估计值，设计复合控制器，构造出一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法。具体实施步骤如下：
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第一步，建立含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型Σ1为
其中，t表示时间，x(t)＝[x1(t)x2(t)]T为系统状态，
为系统状态的时间导数，θ、ψ分别为航天器的滚转角、俯仰角
及偏航角，
[0009]
分别为滚转角速度、俯仰角速度及偏航角速度；u(t)为控制输入，d
为传感器信息攻击信号；A、B、C、D为适维的已知常值系数矩阵。
(t)为由外部环境干扰，
第二步，在不考虑传感器攻击下，设计干扰观测器，对系统受到的外部环境干扰进
行估计：
[0010]外部环境干扰d(t)可由如下外部模型描述Σ2：
[0011][0012]
其中，ω为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵
V为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数。
[0013]
在不考虑传感器攻击情况在，对于外部模型Σ2设计干扰观测器Σ3为：
[0014]
[0015]其中，表示w(t)的估计值，表示的一阶导数，L2为干扰观测器的增益
矩阵，v(t)为辅助变量，
[0016]
表示v(t)的一阶导数；
第三步，基于外部环境干扰估计值，设计输出滤波器及未知输入学习观测器，对传
感器信息中的攻击信号进行估计：
[0017]首先针对含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型Σ1，设计如下输出滤波器Σ4：
[0018][0019]
其中，状态是输出滤波器的状态，
是赫尔维兹矩阵。
为输出滤波器状态的一阶导数，y
(t)为系统Σ1的传感器输出，
[0020]
结合含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统Σ1和输出滤波器
建立增广系统模型Σ5：
Σ4，令
[0021][0022]
其中，为增广系统Σ5的状态，是关于时间t的一阶导数，为增广
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说 明 书
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系统Σ5的输出，
[0023]
在上述增广系统Σ5的基础上，为实现对传感器攻击信号的估计，设计如下形
式的学习未知输入观测器Σ5：
[0024]
[0025]其中，z(t)是学习未知输入观测器Σ6的状态，
的估计值，
是z(t)关于时间t的一阶导数，
的估计值，
为外部
为增广系统Σ3状态环境干扰d(t)的估计值，值，阵。
[0026][0027][0028]
为增广系统Σ5输出
为传感器攻击信号的估计值，τ为学习时间间隔，为正常
为t-τ时刻的传感器攻击信号估计值，T、H、L2、K1、K2为待设计的适维观测器矩第四步，结合攻击信号估计值及外部环境干扰估计值，设计复合控制器：
其中，K3为控制器增益，y(t)为系统Σ1的传感器输出，
为传感器攻击信号
的估计值。
为外部环境干扰d(t)的
估计值，
[0029]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0030](1)本发明基于航天器的传感器在受到敌方恶意攻击造成传感器信息干扰，并且考虑到航天器受到复杂空间环境干扰下的控制问题，具有更强的工程实用性；[0031](2)本发明利用干扰观测器将航天器受到的空间环境干扰进行估计并通过反馈控制进行抵消，提高了控制系统的控制精度；[0032](3)本发明在对传感器攻击信号进行重构过程中充分考虑到环境干扰对攻击重构观测器的影响，设计未知输入学习观测器，提高了攻击重构的精度；[0033](4)本发明在设计控制器的过程中充分利用环境干扰估计值与攻击信号重构值，设计出的复合控制器使得控制系统具有较强的抗干扰性和可靠性。
附图说明
[0034]图1为本发明一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法的设计流程图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。[0036]如图1所示，本发明所述的一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法设计步骤为：首先，建立含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型；其次，在不考虑传感器攻击下，设计干扰观测器，对系统受到的外部环境干扰进行估计；再次，
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基于外部环境干扰估计值，设计输出滤波器及未知输入学习观测器，对传感器信息中的攻击信号进行估计；最后，结合攻击信号估计值及外部环境干扰估计值，设计复合控制器，构造出一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法。[0037]具体实施步骤如下：[0038]第一步，建立含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型Σ1为
[0039][0040]
其中，t表示时间，x(t)＝[x1(t)x2(t)]T为系统状态，
为系统状态的时间导数，θ、ψ分别为航天器的滚转角、俯仰角
及偏航角，
[0041]
分别为滚转角速度、俯仰角速度及偏航角速度；u(t)为控制输入，d
为传感器信息攻击信号；A、B、C、D为适维的已知常值系数矩阵。
(t)为由外部环境干扰，
在本实施案例中，航天器的滚转角、俯仰角及偏航角的初始值为x1＝[0.0847-0.1635 0.1248]Trad，航天器的滚转角速度、俯仰角速度及偏航角速度的初始值为x2＝[0.011 0.013-0.012]Trad/s，取转动惯量J＝diag{18.73,20.77,23.63}kg·m2，攻击信号
外部环境干扰
系数矩阵
[0042]
第二步，在不考虑传感器攻击下，设计干扰观测器，对系统受到的外部环境干扰进行估计：
[0044]外部环境干扰d(t)可由如下外部模型描述Σ2：
[0045][0046]
[0043]
其中，ω为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵
[0047]
在不考虑传感器攻击情况在，对于外部模型Σ2设计干扰观测器Σ3为：
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[0048]
[0049]其中，表示w(t)的估计值，表示的一阶导数，v(t)为辅助变量，表
示v(t)的一阶导数，干扰观测器增益L1可通过极点配置理论得到：
2[0050]|sI2×2-(W+L1CBV)|＝(s+λ0)
[0051]其中，s表示复变量，I2×2表示二阶单位阵，λ表示系统带宽；0＞0为给定的正常数，符号|·|表示求解矩阵的行列式。[0052]第三步，基于外部环境干扰估计值，设计输出滤波器及未知输入学习观测器，对传感器信息中的攻击信号进行估计：
[0053]首先针对含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统模型Σ1，设计如下输出滤波器Σ4：
[0054][0055]
其中，状态是输出滤波器的状态，为输出滤波器状态的一阶导数，y
(t)为系统Σ1的传感器输出，系数矩阵
[0056]
结合含有传感器攻击及外部环境干扰的航天器姿态控制系统Σ1和输出滤波器
建立增广系统模型Σ5：
Σ4，令
[0057][0058]
其中，为增广系统Σ5的状态，是关于时间t的一阶导数，为增广
系统Σ5的输出，
[0059][0060]
在上述增广系统Σ5的基础上，为实现对传感器攻击信号的估计，设计如下形
式的学习未知输入观测器Σ5：
[0061]
[0062]其中，z(t)是学习未知输入观测器Σ6的状态，
的估计值，
是z(t)关于时间t的一阶导数，
的估计值，
为外部
为增广系统Σ3状态环境干扰d(t)的估计值，0.01，
为增广系统Σ5输出
为传感器攻击信号的估计值，τ为学习时间间隔，τ＝
为t-τ时刻的传感器攻击信号估计值，观测器矩阵T、H、L2、K1、K2可通过下列式
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子求解：
[0063][00][0065][0066][0067][0068]
其中，选取常值β＞1，表示矩阵的广义逆矩阵，P、R为通过LMI求出的矩阵，观测
器矩阵L2＝P-1R。
[0069]第四步，结合攻击信号估计值及外部环境干扰估计值，设计复合控制器：
[0070][0071]
其中，y(t)为系统Σ1的传感器输出，为外部环境干扰d(t)的估计值，为传
感器攻击信号
[0072]
的估计值，控制器矩阵K3可通过如下极点配置方法求解：
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|sI6×6-(A+BKC)|＝(s+λ1)
[0073]其中，s表示复变量，I6×6表示六阶单位阵，λ表示系统带宽；1＞0为给定的正常数，符号|·|表示求解矩阵的行列式.
[0074]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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