空间站转位组装过程姿态控制技术研究

摘要

以载人航天三期工程的空间站在轨组装任务为背景，根据空间站利用转位机构进行组装的特定任务需求，对转位组装过程中的多体动力学建模进行研究，对转位机构连接体的转位路径与运动参数进行规划；针对组装过程中空间站组合体的多体结构、变构型变参数、刚柔运动耦合等特点，设计了组合体的飞行姿态模式与控制方案，主要工作如下：
　　明确输入条件。参考“和平号”空间站转位机构关键参数，提出适应于我国空间站组装的转位机构初步参数，计算了空间站的质量特性、刚柔耦合系数，确定了控制力矩陀螺和姿态测量敏感器参数。
　　转位组装过程动力学建模研究。采用拟拉格朗日方程，推导了带有大柔性附件的空间站组合体转位组装过程中的多体系统动力学模型，建立了适合于控制系统设计的模型。
　　转位组装过程干涉影响分析与转位路径规划研究。基于ADAMS动力学仿真软件，对舱段转位过程帆板之间的干涉情况进行仿真。推导出帆板干涉模型，解算出帆板间产生干涉的条件，确定了最佳转位路径。
　　转位组装过程运动参数规划研究。基于ADAMS动力学仿真软件，对转位过程的帆板振动位移、帆板振动产生的干扰力矩进行仿真与分析，对舱段转位过程对组合体产生的干扰力矩和干扰角动量进行仿真与分析，确定了转位过程的最佳运动角速度。
　　转位组装过程的空间站组合体姿态控制技术研究。基于Lyapunov稳定性理论，设计了一种鲁棒性强的非线性控制算法，保持转位过程中组合体的姿态对地定向稳定，但引起单框架控制力矩陀螺（Single-gimbal Control Moment Gyro，SGCMG）角动量饱和问题。喷气动量卸载会带来控制与结构耦合，因此设计了力矩平衡姿态（Torque Equilibrium Attitude，TEA）飞行模式来避免力矩陀螺角动量饱和，通过仿真分析比较，最终确定了转位组装过程中组合体的最佳飞行姿态模式与控制算法。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与目的

1.2国内外研究现状

1.3 本章小结

第二章 指标要求与约束条件

2.1 姿态控制指标要求

2.2 约束条件

2.3 本章小结

第三章 转位组装过程系统动力学建模

3.1 航天器运动学方程

3.2 系统动力学建模

3.3 干扰力矩方程

3.4 本章小结

第四章 转位组装干涉分析与转位路径规划

4.1 核心舱和实验舱帆板干涉分析

4.2 本章小结

第5章 转位组装过程运动参数规划

5.1转位测量坐标系定义

5.2转位动力学仿真

5.3 本章小结

第6章 转位组装过程组合体姿态控制技术研究

6.1核心舱控制力矩陀螺配置

6.2 对地定向飞行模式

6.3 TEA飞行模式

6.4 本章小结

第七章 全文总结

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

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