挠性卫星姿态大角度机动路径的设计与优化

摘要

随着人类探索太空的深入,越来越多的空间任务要求挠性卫星能够进行姿态的大角度机动,以满足再定向和空间对接等各种任务要求,且机动过程中需实现快速机动和快速稳定的高性能控制要求,然而,执行机构易饱和常导致角加速度受限,测量器件的测量能力有界常导致角速度受限。本文根据系统对角加速度和角速度的限制,在分析已有机动路径规划形式及挠性卫星姿态控制系统结构特点的基础上,主要做了以下几方面的工作。
　　 首先,针对角加速度的突变常导致挠性帆板强烈振动的问题,基于柔化的思想提出了基于抛物线型角加速度曲线的三段式机动路径规划方案;在该路径方案思想基础上,为了进一步提高机动的快速性,提出了基于正弦函数角加速度变化曲线的七段式路径规划方案。通过与已有机动路径方案进行仿真对比研究,验证了本文提出的路径的有效性和优越性。
　　 其次,采用多目标优化算法对本文所提的两种路径的参数进行寻优,通过优化算法找到了一组能够明显提高机动快速性和姿态稳定性的优化路径。同时,考虑卫星惯量和挠性帆板与卫星中心刚体耦合系数的不确定性,并针对这两种不确定因素对优化路径进行鲁棒性分析,分析结果表明,本文提出并寻优得到的优化路径具有良好的鲁棒性。
　　 最后,为了揭示机动路径与挠性附件振动之间的内在联系,采用频谱分析方法分析了不同路径时星体角加速度的频谱特点。通过研究不同路径在帆板固有振动频率处的频谱分布,得到不易激起帆板振动的机动路径的基本特征,可用于指导优化路径参数的选取。