文档介绍：博士学位论文
基于角动量交换的航天器姿态机动
控制方法研究
ATTITUDE MANEUVER CONTROL OF
SPACECRAFT USING ANGULAR MOMENTUM
EXCHANGE
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郭延宁
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哈尔滨工业大学←(楷体小 2 号字加粗)
2012 年 7 月←(年、月用阿拉伯数字,
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国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学博士学位论文
基于角动量交换的航天器姿态机动
控制方法研究
博士研究生:郭延宁
导师:马广富教教授
副导师:李传江副教授
申请学位:工学博士
学科:控制科学与工程
所在单位:航天学院
答辩日期:2012 年 7 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
ATTITUDE MANEUVER CONTROL OF
SPACECRAFT USING ANGULAR MOMENTUM
EXCHANGE
Candidate: Guo Yanning
Primary Supervisor: Prof. Ma Guangfu
Secondary Supervisor: Associate Prof. Li Chuanjiang
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着航天事业的发展,航天任务需求日益多样化,对航天器的敏捷性和稳
定性也提出了更高的要求。通过设计高效的姿态控制方案及控制分配算法,快
速精确地完成姿态机动任务,可显著扩大航天器的可观测范围,实现对重要观
测目标的跟踪或重访,并通过回避不期望或不必要的指向增加有效数据的返回
率。现有研究往往将姿态控制律和控制分配算法分开考虑,在前者的设计中以
系统的稳定性、鲁棒性或最优性等为研究目的,而忽略了执行机构的特性;而
后者则倾向于考虑执行机构的能耗或反应速度,却没有考虑姿态控制的任务需
求。本文以使用控制力矩陀螺或飞轮作为执行机构的航天器为研究对象,以完
成姿态机动任务为最终目标,针对执行机构的物理特性、用于姿态机动的控制
分配算法、考虑执行机构特性的姿态机动控制策略等几个问题进行了深入研究,
主要包括以下几个方面:
针对控制力矩陀螺的力矩放大特性、奇异产生机理、奇异点类型以及奇异
度量等问题进行了分析。通过分析金字塔构型控制力矩陀螺群角动量包络特性
和奇异点的分布情况,阐明了其操纵律设计的难点为回避内部显奇异点。此外,
讨论了冗余飞轮构型的力矩分配策略,并绘制了使用能量最优力矩分配策略的
几种典型飞轮系力矩包络。
为充分发挥执行机构的控制能力,实现与航天器角动量的快速交换,分别
针对控制力矩陀螺群和冗余飞轮系设计了控制分配算法。一方面,以缩小期望
力矩与各控制力矩陀螺角动量的夹角为目的,设计了可快速实现角动量交换的
操纵律;不同于传统的局部操纵律,该操纵律始终以到达饱和角动量为目标,
并未参考当前奇异度量值,故能有效地避免陷入内部显奇异点。另一方面,基
于静态最优化理论和冗余飞轮系力矩包络特性,分别针对四飞轮和多飞轮情况
设计了力矩最优分配策略,以输出期望方向的最大力矩。
考虑执行机构力矩和角动量包络特性,设计了两种欧拉旋转姿态机动控制
策略。第一种参考单轴旋转的时间最优解形式,通过监测航天器绕欧拉轴的旋
转角度和角速度确定控制力矩;为了应对机动过程中的不确定性,进一步设计
了补偿控制器来实时修正航天器旋转方向。第二种为基