考虑力矩陀螺奇异与饱和的空间站姿态机动控制策略与路径规划

摘要 (i)

Abstract .............................................................................................................. i ii 第一章绪论 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 空间站零燃料姿态机动技术概述 (2)

1.2.1 零燃料姿态机动技术发展历程 (2)

1.2.2 零燃料姿态机动技术特点分析 (3)

1.3 空间站零燃料姿态机动关键技术综述 (4)

1.3.1 姿态控制/动量管理 (5)

1.3.2 控制力矩陀螺操纵律 (5)

1.3.3 姿态机动路径规划算法 (6)

1.3.4 姿态机动仿真验证 (8)

1.4 论文研究内容 (10)

1.4.1 选题依据 (10)

1.4.2 研究内容安排 (11)

1.4.3 主要创新点 (13)

第二章零燃料姿态机动机理分析 (15)

2.1 零燃料姿态机动基本模型 (15)

2.1.1 坐标系统 (15)

2.1.2 动力学模型 (16)

2.2 控制力矩陀螺奇异特性分析 (19)

2.2.1 角动量奇异状态方程推导 (19)

2.2.2 奇异面分布规律分析 (20)

2.3 控制力矩陀螺饱和特性分析 (21)

2.3.1 角动量包络面计算 (21)

2.3.2 包络面分布规律分析 (22)

2.4 姿态机动路径存在性分析 (23)

2.4.1 系统动量矩守恒关系的建立 (23)

2.4.2 基于边界条件的存在性分析 (24)

2.4.3 附加过程约束的存在性分析 (27)

2.5 本章小结 (30)

第三章基于人工势函数的控制力矩陀螺避饱和控制律设计 (32)

3.1 人工势函数构建 (32)

3.1.1 目标姿态吸引势函数 (32)

3.1.2 角动量饱和排斥势函数 (34)

3.2 控制力矩陀螺避饱和控制律设计 (36)

3.2.1 李雅普诺夫函数构建 (37)

3.2.2 避饱和控制律推导 (38)

3.2.3 控制律稳定性分析 (40)

3.3 算例与分析 (40)

3.3.1 问题配置 (41)

3.3.2 结果分析 (41)

3.4 本章小结 (45)

第四章基于显隐奇异函数的控制力矩陀螺操纵律设计 (47)

4.1 控制力矩陀螺显隐奇异函数 (47)

4.1.1 显隐奇异函数构造 (47)

4.1.2 显隐奇异函数特性分析 (50)

4.2 控制力矩陀螺操纵律设计 (52)

4.2.1 自适应复合操纵律设计 (52)

4.2.2 失效响应操纵律设计 (57)

4.3 算例与分析 (60)

4.3.1 问题配置 (60)

4.3.2 结果分析 (61)

4.4 本章小结 (62)

第五章考虑控制力矩陀螺奇异与饱和的姿态机动路径规划 (64)

5.1 性能指标构造 (64)

5.1.1 奇异性能指标构造 (64)

5.1.2 饱和性能指标构造 (65)

5.2 路径规划单目标优化 (65)

5.2.1 路径规划模型 (65)

5.2.2 基于伪谱法与直接打靶法的混合求解策略 (66)

5.2.2 算例验证 (70)

5.3.1 多目标最优路径规划模型 (74)

5.3.2 基于物理规划的多目标优化策略 (74)

5.3.2 算例验证 (76)

5.4 本章小结 (79)

第六章基于相似性原理的姿态机动地面试验系统方案设计 (81)

6.1 姿态机动地面试验系统相似性原理 (81)

6.1.1 基本相似原理 (81)

6.1.2 相似准则确定 (82)

6.2 姿态机动地面试验系统设计 (84)

6.2.1 地面试验相似系统组成 (84)

6.2.2 空间站运动动力学相似性模拟 (85)

6.2.3 姿态测量敏感系统相似性设计 (86)

6.2.4 控制执行机构系统相似性设计 (87)

6.2.5 环境力矩模拟系统相似性设计 (88)

6.3 地面实验系统星载算法相似性参数确定 (89)

6.3.1 控制律相似性参数确定 (89)

6.3.2 操纵律相似性参数确定 (90)

6.4 姿态机动地面实验系统方案验证 (90)

6.4.1 系统参数配置 (90)

6.4.2 验证结果分析 (91)

6.5 本章小结 (94)

第七章结论与展望 (96)

7.1 论文主要研究成果 (96)

7.2 进一步研究的展望 (98)

致谢 (99)

参考文献 (100)

作者在学期间取得的学术成果 (109)

表目录

表2.1 各类姿态机动任务的ZPM存在条件 (28)

表2.2 各类姿态机动任务最小单个陀螺角动量 (29)

表3.1 机动任务参数与控制律参数设置 (41)

表4.1 各类操纵律性能对比 (57)

表4.2 机动任务参数与操纵律参数设置 (61)

表5.1 机动任务参数设置 (70)

表5.2 求解策略对比 (73)

表5.3 机动任务参数与规划算法参数设置 (76)

表5.4 偏好函数设置 (77)

表5.5 目标函数与偏好函数值 (78)

表6.1 原型系统变量及量纲 (82)

图目录

图1.1 在轨运行的国际空间站 (1)

图1.2 国际空间站的双框架控制力矩陀螺 (1)

图1.3 我国未来空间站 (2)

图1.4 零燃料姿态机动技术演示验证 (3)

图1.5 空间站零燃料姿态机动控制系统组成 (4)

图1.6 空间站实验室SkyLab (5)

图1.7 双龙骨构型自由号空间站 (5)

图1.8 DSAT的仿真界面 (9)

图1.9 美国海军研究生院三轴卫星模拟器 (10)

图1.10 乔治理工大学仿真平台 (10)

图1.11 论文组织结构图 (13)

图2.1 轨道坐标系 (16)

图2.2 惯性坐标系 (16)

图2.3 体坐标系与惯量主轴坐标系 (16)

图2.4 SGCMG框架角坐标系 (18)

图2.5 典型冗余SGCMG系统 (18)

图2.6 SGCMG系统奇异面 (21)

图2.7 SGCMG系统的角动量最大值分布 (22)

图2.8 SGCMG系统角动量包络面 (22)

图2.9 坐标系关系示意图 (23)

图2.10 角动量关系示意图 (26)

图2.11 偏航90°姿态机动（无环境力矩作用） (29)

图2.12 偏航90°姿态机动（考虑重力梯度力矩作用） (30)

图3.1 吸引势函数特性曲线 (33)

图3.2 排斥势能函数作用原理 (34)

图3.3 控制力矩陀螺工作空间截面图 (35)

图3.4 排斥势函数变化规律 (36)

图3.5 稳定平衡姿态Law-F仿真结果 (42)

图3.6 稳定平衡姿态Law-S仿真结果 (43)

图3.7 不稳定平衡姿态Law-F仿真结果 (44)

图3.8 不稳定平衡姿态Law-U仿真结果 (45)

图4.1 控制力矩陀螺力矩矢量示意图 (49)

图4.3 显奇异状态附近显隐奇异函数变化规律 (51)

图4.4 隐奇异状态附近显隐奇异函数与奇异测度值变化 (51)

图4.5 隐奇异状态附近显隐奇异函数变化规律 (52)

图4.6 显奇异点附近零运动操纵律性能 (54)

图4.7 显奇异点附近鲁棒操纵律性能 (54)

图4.8 隐奇异点附近零运动操纵律性能 (54)

图4.9 隐奇异点附近鲁棒操纵律性能 (55)

图4.10 显奇异点附近自适应复合操纵律性能 (56)

图4.11 隐奇异点附近自适应复合操纵律性能 (57)

图4.12 SGCMG单陀螺失效角动量曲面 (58)

图4.13 控制力矩陀螺工作流程 (58)

图4.14 两种操纵律对比 (60)

图4.15 大角度姿态机动过程仿真结果 (62)

图5.1 路径规划混合求解策略 (70)

图5.2 第一步优化结果 (71)

图5.3 混合求解策略优化结果 (72)

图5.4 SGCMG角动量路径 (73)

图5.5 多目标优化解策略 (75)

图5.6 多目标优化折中解 (78)

图5.7 Pareto最优解前沿 (79)

图6.1 相似系统仿真模型 (85)

图6.2 悬吊系统示意图 (86)

图6.3 惯性测量单元实物图 (87)

图6.4 控制力矩陀螺实物图 (88)

图6.5 环境力矩模拟动量轮实物图 (89)

图6.6 原型系统大角度姿态机动仿真结果 (92)

图6.7 相似系统大角度姿态机动仿真结果 (94)