基于控制力矩陀螺的空间站姿态机动路径规划与控制方法研究

摘要

空间站执行交会对接等任务时需要进行大角度姿态机动。论文以我国空间站工程为背景，主要针对采用控制力矩陀螺的空间站零燃料大角度姿态机动路径规划与控制方法进行研究，并有所拓展，主要工作与成果如下：
　　研究了空间站姿态机动单目标最优路径规划问题。1）规划了零燃料姿态机动角动量最优、时间最优与能量最优机动路径，研究表明典型的角动量最优路径与时间最优路径具有相同的特点，二者均为奇异最优解；能量最优路径可以有效节省能量，其控制力矩陀螺角动量变化率光滑；2）考虑单框架控制力矩陀螺的框架角运动，规划了一体化零燃料机动路径，实施机动时对该路径进行跟踪可以有效规避控制力矩陀螺奇异，提高机动品质；3）提出了一种新的空间站大角度姿态机动概念——控制力矩陀螺辅助机动，规划了燃料最优控制力矩陀螺辅助机动路径，研究表明该技术结合了零燃料机动与推力器机动的优点，可以有效节省机动燃料、减少机动时间。
　　研究了空间站姿态机动多目标最优路径规划问题。1）构造了考虑控制力矩陀螺峰值角动量、机动时间与机动能量性能指标的零燃料机动多目标优化模型，提出了定性的灵敏度分析方法，利用边界条件特点与 Karush-Kuhn-Tucker乘子性质可以避免对最优控制问题的求解，定性地研究性能指标间的折中关系；2）分析了零燃料机动多目标优化问题中角动量指标、时间指标与能量指标之间的折中关系，证明了最小 CMGs峰值角动量随机动时间的增加而减小，最小机动能量随 CMGs最大角动量参数的增加而减小等关系；3）采用数值计算对理论分析结果进行了验证与补充，综合分析了零燃料机动多目标间的折中关系并规划了多目标最优机动路径。
　　研究了空间站姿态机动路径快速规划问题。1）提出了一种新的轨迹优化方法——快速路径规划方法，该方法综合了全变量参数化方法与部分变量参数化方法的优点，可以实现机动路径的快速规划；2）研究了基于平坦属性的零燃料机动路径规划问题。证明了多输入多输出反馈线性化仿射系统状态变换奇异与控制变换奇异的等价关系。对于环境力矩中仅考虑地球引力梯度力矩的情形，考察了四组分别偏重于不同类型机动的平坦输出，结果表明仅大角度偏航机动路径规划可行。进一步给出了系统不能反馈线性化的本性奇异姿态，分析表明无论构造何种平坦输出，一般大角度俯仰与滚转机动路径规划均容易遭遇奇异；对于同时考虑气动力矩的情形，基于简化的气动力矩模型，说明了基于平坦属性的大角度偏航机动路径规划会发生奇异；3）给出了一种实用的零燃料机动路径快速规划方法，其对不满足控制力矩陀螺角动量边界条件的路径进行重规划，通过调整姿态轨迹实现解的可行性；4）发展提出了变区间局部快速路径规划方法，实现了控制力矩陀螺辅助机动路径的快速规划。
　　研究了零燃料机动的控制方法与单框架控制力矩陀螺在线规划操纵律。1）提出了一种新型鲁棒跟踪控制方法，通过在线调整参考轨迹消除初始状态误差、环境干扰力矩与惯量偏差的影响，仿真验证了方法的有效性；2）基于快速路径规划方法的轨迹快速优化能力，研究了采用模型预测控制的零燃料机动，提高了机动的灵活性；3）研究了预测/跟踪控制方法，实现了零燃料机动可靠性、灵活性与高品质的统一，通过翻滚空间站的姿态恢复机动验证了方法的有效性；4）研究了单框架控制力矩陀螺在线规划操纵律设计，通过分层规划策略简化规划问题，实现了单框架控制力矩陀螺框架角运动的在线规划，仿真结果表明相对于传统的伪逆操纵律，采用该操纵律控制力矩陀螺框架角运动明显光滑，性能指标得到很大改善。
　　论文提出的快速路径规划方法、鲁棒跟踪控制方法与单框架控制力矩陀螺在线规划操纵律丰富了相关领域的方法体系，多目标优化问题目标间折中关系分析和平坦奇异性研究具有一定的理论意义，研究的一体化零燃料机动与控制力矩陀螺辅助机动具有一定的实践价值。论文研究丰富了空间站大角度姿态机动技术，对空间站实施大角度机动时减少燃料消耗、提高机动品质提供了有益参考。

目录

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缩 略 词 表

符 号 表

第一章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 ZPM介绍

1.3 基于CMGs的空间站姿态机动关键技术综述

1.4 确定研究问题的依据与内容安排

第二章 基本模型

2.1 引言

2.2 姿态描述与运动学方程

2.3 CMGs运动模型

2.4 姿态动力学模型

2.5 小结

第三章 空间站姿态机动单目标最优路径规划

3.1 引言

3.2 ZPM单目标最优路径规划

3.3 采用SGCMGs的一体化ZPM最优路径规划

3.4 CMGs辅助机动燃料最优路径规划

3.5 小结

第四章 空间站姿态机动多目标最优路径规划

4.1 引言

4.2 ZPM多目标最优路径规划问题构建

4.3 ZPM多目标最优折中关系分析

4.4 ZPM多目标最优数值算例与分析

4.5 小结

第五章 空间站姿态机动路径快速规划

5.1 引言

5.2 RPP方法

5.3 基于微分平坦的ZPM路径快速规划

5.4 结合修正策略的ZPM路径快速规划

5.5 基于局部RPP方法的CMGs辅助机动路径快速规划

5.6 小结

第六章 空间站姿态机动控制

6.1 引言

6.2 基于鲁棒跟踪控制的ZPM

6.3 基于MPC的ZPM

6.4 基于预测/跟踪控制的ZPM

6.5 SGCMGs在线规划操纵律设计

6.6 小结

结论与展望

论文主要研究成果

进一步的工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

发表论文

在审论文

专利

附录A 定理5.1证明

附录B 命题5.1证明