基于周期滞后反馈的航天器指定时间姿态跟踪控制

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32776

先进飞行器安全控制技术专刊

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

| 后一篇

基于周期滞后反馈的航天器指定时间姿态跟踪控制

吴建锋¹^,², 丁一¹^,², 周彬¹^,²()

^1.哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心，哈尔滨 150001
^2.复杂系统控制与智能协同全国重点实验室，哈尔滨 150001

收稿日期:2025-09-11 修回日期:2025-10-15 接受日期:2025-11-28 出版日期:2025-12-09 发布日期:2025-12-08
通讯作者: 周彬 E-mail:bin.zhou@gmail.com
基金资助:
国家杰出青年科学基金(62125303);国家自然科学基金“叶企孙”科学基金(U2441243);国家自然科学基金(62573165);国家自然科学基金(62521005);教育部基础学科和交叉学科突破计划(JYB2025XDXM206)

Prescribed-time attitude tracking control for spacecraft based on periodic delayed feedback

Jianfeng WU¹^,², Yi DING¹^,², Bin ZHOU¹^,²()

^1.Center for Control Theory and Guidance Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
^2.National Key Laboratory of Complex System Control and Intelligent Agent Cooperation，Harbin 150001，China

Received:2025-09-11 Revised:2025-10-15 Accepted:2025-11-28 Online:2025-12-09 Published:2025-12-08
Contact: Bin ZHOU E-mail:bin.zhou@gmail.com
Supported by:
The National Science Fund for Distinguished Young Scholars(62125303);National Natural Science Foundation of China-“Ye Qisun” Science Foundation(U2441243);National Natural Science Foundation of China(62573165);Fundamental and Interdisciplinary Disciplines Breakthrough Plan of Ministry of Education of China(JYB2025XDXM206)

摘要/Abstract

摘要：

针对航天器高精度姿态跟踪控制问题，设计了基于周期滞后反馈理论的指定时间控制律。所设计的控制律可以使航天器的实际姿态在任意指定时间内跟踪上目标姿态并且避免控制器的奇异性问题。此外，在设计的周期滞后滑模控制律的基础上，引入指定时间扩张状态观测器（PTESO）以实现对未知干扰的在线观测，并设计了融合两者的复合控制律。复合指定时间控制律可以有效消除滑模控制中的抖振现象。仿真结果表明，设计的控制律能够在指定时间内完成航天器姿态跟踪控制任务，并对外部干扰具有较强的鲁棒性。

关键词: 航天器控制, 姿态跟踪, 指定时间控制, 周期滞后反馈, 滑模控制

Abstract:

To address the problem of high-precision attitude tracking control for spacecraft， this paper designs a class of prescribed-time control laws based on periodic delayed feedback theory. The designed control laws can drive the actual spacecraft attitude to track the target attitude within any prescribed time while avoiding the singularity issues of the controller. Furthermore， building upon the designed periodic delayed sliding mode control laws， a Prescribed-time Extended State Observer （PTESO） is introduced to achieve online observation of unknown disturbances. A composite control law integrating both components is then proposed. This composite prescribed-time control law can effectively eliminate the chattering phenomenon inherent in sliding mode control. Simulation results demonstrate that the proposed control laws can successfully complete the spacecraft attitude tracking control task within the prescribed time and exhibits strong robustness against external disturbances.

Key words: spacecraft control, attitude tracking, prescribed-time control, periodic delayed feedback, sliding mode control

中图分类号:

V448.2

吴建锋, 丁一, 周彬. 基于周期滞后反馈的航天器指定时间姿态跟踪控制[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 0.

Jianfeng WU, Yi DING, Bin ZHOU. Prescribed-time attitude tracking control for spacecraft based on periodic delayed feedback[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(9): 0.

图/表 6

图1

图2

图3

图4

图5

图6

参考文献 47

[1]	XIAO B， YIN S， KAYNAK O. Attitude stabilization control of flexible satellites with high accuracy： An estimaor-based approach［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2017， 22（1）： 349-358.
[2]	ZOU A M， KUMAR K D， DE RUITER A H J. Fixed-time attitude tracking control for rigid spacecraft［J］. Automatica， 2020， 113： 108792.
[3]	ZOU A M， FAN Z. Fixed-time attitude tracking control for rigid spacecraft without angular velocity measurements［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2020， 67（8）： 6795-6805.
[4]	GUI H C， VUKOVICH G. Robust switching of modified Rodrigues parameter sets for saturated global attitude control［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2017， 40（6）： 1529-1542.
[5]	SHAN Y H， XIA L R， LI S. Design and simulation of satellite attitude control algorithm based on PID［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2022， 2355： 012035.
[6]	XIAO B， HU Q L， ZHANG Y M. Adaptive sliding mode fault tolerant attitude tracking control for flexible spacecraft under actuator saturation［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2012， 20（6）： 1605-1612.
[7]	段广全，刘国平. 基于全驱系统方法的组合航天器位姿自适应预设性能控制［J］. 航空学报， 2024， 45（1）： 628837.
	DUAN G Q， LIU G P. Adaptive prescribed control of position and attitude of combined spacecraft based on fully actuated system approach［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（1）： 628837 （in Chinese）.
[8]	XIN M， PAN H J. Indirect robust control of spacecraft via optimal control solution［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2012， 48（2）： 1798-1809.
[9]	肖冰，张海朝. 航天器姿态稳定强化学习鲁棒最优控制方法［J］. 航空学报， 2024， 45（1）： 628890.
	XIAO B， ZHANG H C. Reinforcement learning robust optimal control for spacecraft attitude stabilization［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（1）： 628890 （in Chinese）.
[10]	POLYAKOV A. Nonlinear feedback design for fixed-time stabilization of linear control systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2012， 57（8）： 2106-2110.
[11]	ZHOU B. Finite-time stability analysis and stabilization by bounded linear time-varying feedback［J］. Automatica， 2020， 121： 109191.
[12]	ZHOU B， ZHANG K K. A linear time-varying inequality approach for prescribed time stability and stabilization［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2023， 53（3）： 1880-1889.
[13]	SHTESSEL Y， EDWARDS C， FRIDMAN L， et al. Sliding mode control and observation［M］. New York： Springer New York， 2014： 47-50.
[14]	ZAK M. Terminal attractors for addressable memory in neural networks［J］. Physics Letters A， 1988， 133（1-2）： 18-22.
[15]	VENKATARAMAN S T， GULATI S. Control of nonlinear systems using terminal sliding modes［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 1993， 115（3）： 554-560.
[16]	FENG Y， YU X H， MAN Z H. Non-singular terminal sliding mode control of rigid manipulators［J］. Automatica， 2002， 38（12）： 2159-2167.
[17]	YU X H， MAN Z H. Fast terminal sliding-mode control design for nonlinear dynamical systems［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Fundamental Theory and Applications， 2002， 49（2）： 261-264.
[18]	张豪，王鹏，汤国建，等. 高超声速变外形飞行器事件触发有限时间控制［J］. 航空学报， 2023， 44（15）： 528494.
	ZHANG H， WANG P， TANG G J， et al. Event-triggered fast finite time control for hypersonic morphing vehicles［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（15）： 528494 （in Chinese）.
[19]	MOULAY E， LÉCHAPPÉ V， BERNUAU E， et al. Robust fixed-time stability： Application to sliding-mode control［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2022， 67（2）： 1061-1066.
[20]	CHENG X， LIU Z W， HOU H Z， et al. Disturbance observer-based nonsingular fixed-time sliding mode tracking control for a quadcopter［J］. Science China Information Sciences， 2022， 65（9）： 192202.
[21]	白显宗，黎克波，李昊键，等. 基于固定时间收敛误差动力学的微分几何制导律设计［J］. 航空学报， 2024， 45（16）： 329712.
	BAI X Z， LI K B， LI H J， et al. Differential geometric guidance law design based on fixed-time convergent error dynamics method［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（16）： 329712 （in Chinese）.
[22]	CHEN Z R， JU X Z， WANG Z W， et al. The prescribed time sliding mode control for attitude tracking of spacecraft［J］. Asian Journal of Control， 2022， 24（4）： 1650-1662.
[23]	吴慈航，闫建国，钱先云，等. 受油机指定时间姿态稳定控制［J］. 航空学报， 2022， 43（2）： 324996.
	WU C H， YAN J G， QIAN X Y， et al. Predefined-time attitude stabilization control of receiver aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（2）： 324996 （in Chinese）.
[24]	BEKIARIS-LIBERIS N， KRSTIC M. Predictor-feedback stabilization of multi-input nonlinear systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2017， 62（2）： 516-531.
[25]	FRIDMAN E， SELIVANOV A. Using delay for control［J］. Annual Review of Control， Robotics， and Autonomous Systems， 2025， 8： 101-126.
[26]	HALE J K， LUNEL S M V. Introduction to functional differential equations［M］. New York： Springer New York， 1993： 74-85.
[27]	JIANG Z P. Robust exponential regulation of nonholonomic systems with uncertainties［J］. Automatica， 2000， 36（2）： 189-209.
[28]	ZHOU B， MICHIELS W， CHEN J. Fixed-time stabilization of linear delay systems by smooth periodic delayed feedback［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2022， 67（2）： 557-573.
[29]	DING Y， ZHOU B， ZHANG K K， et al. Strong prescribed-time stabilization of uncertain nonlinear systems by periodic delayed feedback［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2024， 69（6）： 4072-4079.
[30]	ZHOU D， SUN S， TEO K L. Guidance laws with finite time convergence［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2009， 32（6）： 1838-1846.
[31]	CHEN M S， HWANG Y R， TOMIZUKA M. A state-dependent boundary layer design for sliding mode control［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2002， 47（10）： 1677-1681.
[32]	HAN J Q. From PID to active disturbance rejection control［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2009， 56（3）： 900-906.
[33]	ZHENG H Y， ZHOU B， DING Y， et al. Prescribed-time chattering-free sliding mode guidance law with terminal angle constraint based on periodic delayed feedback［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2025， 61（1）： 932-942.
[34]	冯路明，路坤锋，刘晓东. 一种微型航天器姿态跟踪的四元数实现方法［J］. 航天控制， 2023， 41（1）： 15-20.
	FENG L M， LU K F， LIU X D. A quaternion method for attitude tracking of micro spacecraft［J］. Aerospace Control， 2023， 41（1）： 15-20 （in Chinese）.
[35]	陈万春，肖业伦，赵丽红，等. 四元数的核心矩阵及其在航天器姿态控制中的应用［J］. 航空学报， 2000， 21（5）： 389-392.
	CHEN W C， XIAO Y L， ZHAO L H， et al. Kernel matrix of quaternion and its application in spacecraft attitude control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2000， 21（5）： 389-392 （in Chinese）.
[36]	DE RUITER A H J. Spacecraft attitude tracking with guaranteed performance bounds［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2013， 36（4）： 1214-1221.
[37]	LUO W C， CHU Y C， LING K V. Inverse optimal adaptive control for attitude tracking of spacecraft［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2005， 50（11）： 1639-1654.
[38]	FENG Y， HAN F L， YU X H. Chattering free full-order sliding-mode control［J］. Automatica， 2014， 50（4）： 1310-1314.
[39]	SUN H B， XU Y， HOU L L， et al. Composite anti-unwinding sliding mode attitude tracking control for rigid spacecraft： A prescribed-time method［J］. Aerospace Science and Technology， 2025， 161： 110158.
[40]	WANG Z K， FANG Y W， FU W X， et al. Prescribed-time cooperative guidance law against manoeuvring target with input saturation［J］. International Journal of Control， 2023， 96（5）： 1177-1189.
[41]	WANG Z K， FU W X， FANG Y W， et al. Prescribed-time cooperative guidance law against maneuvering target based on leader-following strategy［J］. ISA Transactions， 2022， 129（Pt B）： 257-270.
[42]	ZHANG L， LI D Y， JING L， et al. Appointed-time cooperative guidance law with line-of-sight angle constraint and time-to-go control［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2023， 59（3）： 3142-3155.
[43]	JIN D Y， HOU M Y， WANG T， et al. Adaptive attitude tracking control of spacecraft based on high-order fully actuated system approach［C］∥2024 3rd Conference on Fully Actuated System Theory and Applications （FASTA）. Pisctaway： IEEE Press， 2024： 1532-1537.
[44]	LANG X Y， LIU X D， CHEN Z. Negative-imaginary-based spacecraft attitude tracking control using modified Rodrigues parameters［J］. Aerospace Science and Technology， 2024， 147： 109057.
[45]	XIAO B， WU X W， CAO L， et al. Prescribed time attitude tracking control of spacecraft with arbitrary disturbance［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2022， 58（3）： 2531-2540.
[46]	ZHANG H C， CHEN Z Y， XIAO B， et al. Fast fixed-time attitude tracking control of spacecraft with prescribed performance［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2023， 33（10）： 5229-5245.
[47]	XU Y T， WU A G. Attitude tracking control for rigid spacecraft with arbitrary convergence time［J］. Journal of Systems Science and Complexity， 2024， 37（6）： 2579-2594.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

基于周期滞后反馈的航天器指定时间姿态跟踪控制

Prescribed-time attitude tracking control for spacecraft based on periodic delayed feedback

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 47

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	赵静, 潘龙, 陆宁云, 黄海云, 马亚杰, 徐丰羽. 基于固定时间干扰观测器的空中机器人非奇异终端滑模控制[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 532278-532278.
[2]	郭玉英, 廖兰馨, 张晓强, 张友民, 王凯. 无人机复合执行器故障有限时间容错控制[J]. 航空学报, 2026, 47(4): 332659-332659.
[3]	周荻, 王欢, 张奕群, 楼朝飞. 基于时变滑模的高速飞行器复合控制方法[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531465-531465.
[4]	何昊, 王鹏. 高速变形飞行器制导控制一体化设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730692-730692.
[5]	马骥, 陈向勇, 温广辉, 程龙, 邱建龙. 随机切换拓扑下无人机集群预设时间跟踪控制[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730793-730793.
[6]	张晓龙, 李荣, 阎高伟, 肖舒怡, 李国强. 小型无人直升机故障估计与容错控制[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730802-730802.
[7]	方乐言, 蒙晗, 侯明哲. 带有参数精确估计的迭代学习滑模控制及应用[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628889-628889.
[8]	侯新宇, 张帆, 黄攀峰, 马小飞, 朱佳龙, 李洋. 空间大型桁架天线姿态与振动一体化控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727552-727552.
[9]	李政, 于剑桥, 赵新运. 空空导弹敏捷转弯固定时间收敛滑模控制[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 327262-327262.
[10]	徐世昊, 关英姿, 浦甲伦, 韦常柱. VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 326857-326857.
[11]	盛永智, 甘佳豪, 张成新. 弹道可调的落角约束分数阶滑模制导律设计[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 327073-327073.
[12]	王忠森, 廖宇新, 魏才盛, 戴婷. 高超声速飞行器快速终端滑模保性能容错控制[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 328476-328476.
[13]	刘博, 孟中杰. 软管连接约束下的加油机/无人机编队跟踪控制[J]. 航空学报, 2023, 44(17): 328210-328210.
[14]	张豪, 王鹏, 汤国建, 包为民. 高超声速变外形飞行器事件触发有限时间控制[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528494-528494.
[15]	苏子康, 徐忠楠, 李春涛, 陈海通, 王宏伦. 伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 326315-326315.