空间站长期在轨运行姿态控制研究

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1、工学硕士学位论文空间站长期在轨运行姿态控制研究RESEARCHONATTITUDECONTROLOFTHELONG-TERMSPACESTATIONINORBIT王瀛哈尔滨工业大学2015年5月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：623密级：公开工学硕士学位论文空间站长期在轨运行姿态控制研究硕士研究生：王瀛导师：宋申民教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2015年5月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2

2、U.D.C:623DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONATTITUDECONTROLOFTHELONG-TERMSPACESTATIONINORBITCandidate：WangYingSupervisor：Prof.SongShenminAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：Sc

3、hoolofAstronauticsDateofDefence：May,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要空间站作为在太空中长期停留的航天器，它的空间应用价值是其他航天器不能代替的。空间站在诸多航天器中技术水平、技术复杂程度最高。在空间站研制过程中，姿态控制是关键技术之一。本文以空间站长期在轨运行姿态控制为研究内容，主要侧重研究两个问题：空间站姿态控制与角动量管理一体化设计和存在

4、参数不确定性下的控制器设计。分别给出空间站姿态控制及角动量管理设计方法和具有鲁棒性及有界抗干扰能力的控制器设计方法：（1）针对姿态控制与角动量管理一体化设计问题，给出开环力矩平衡姿态跟踪方法；根据重力梯度力矩模型和气动力矩模型，计算得到角动量不产生累积的三轴姿态角度，通过开环指令实时调节。指出这种方法存在的问题。（2）针对姿态控制与角动量管理一体化设计问题，采用闭环角动量反馈的方案进行姿态控制与角动量管理。首先在零姿态附近建立姿态控制/角动量管理的线性化模型，采用区域极点配置方法进行线性二次型最优调

5、节器（LQR）设计，对状态反馈控制器进行仿真验证。在仿真验证过程中：针对气动力矩常值项和轨道角速度同频和倍频扰动重新进行带抑制扰动控制器设计，并仿真验证。仿真结果表明：该控制器有效抑制气动力矩引起的姿态和角动量振荡。（3）针对原有控制器无法满足空间站大惯量积构型的情况，在力矩平衡姿态附近建立姿态控制/角动量管理的线性化模型,采用区域极点配置方法进行控制器设计，并进行仿真验证。仿真结果表明：在力矩平衡姿态远离对地定向零姿态时具有较好控制性能，同时完成姿态控制与角动量管理。（4）针对空间站存在外部扰动和

6、转动惯量不确定的情况，采用滑模变结构方法进行控制器设计，通过Lyapunov稳定性理论证明稳定。并进行仿真验证。仿真结果表明：存在外部扰动和参数不确定等情况时，控制器具有动态性能好，鲁棒性强的优点。关键词：空间站；姿态控制及角动量管理；开环力矩平衡姿态跟踪；状态反馈控制；抑制扰动滤波；滑模控制-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsalong-termstayspacecraftinthespace,theapplicationvalueofthespacestationcannot

7、bereplacedbyanyotherspacecraft.Thespacestationiswiththehighestleveloftechnologyandcomplexityamongallthespacecrafts.Attitudecontrolisakeytechnologyforthedevelopmentofthespacestation.Choosingattitudecontroloflong-termspacestationinorbitasthemainresearchc

8、ontent,thisdissertationfocusesonthestudyofspacestationattitudecontrolandmomentummanagementintegrationwithuncertaintyparameters.Themaincontentsareasfollows:Firstly,anapproximateopen-loopformoftrackingsolutionforthetorqueequilibriumattitu