空间站零燃料大角度最优姿态机动路径规划

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1、载人航天2011年第4期基础空间站零燃料大角度最优姿态机动路径规划赵乾黄海兵罗亚中唐国金(国防科学技术大学航天与材料工程学院)摘要为了避免控制力矩陀螺在大角度姿态机动过程中的饱和，规划了最优的姿态机动路径，使大角度姿态机动过程中控制力矩陀螺的角动量峰值最小。建立了姿态机动的动力学与控制数学模型及姿态路径规划的数学模型，采用直接打靶法将控制路径规划问题转化为带参数约束的非线性参数优化问题，采用序列二次规划算法进行求解。数值仿真的结果表明通过姿态路径规划可以使大角度姿态机动过程中的控制力矩陀螺的角动量远离饱和。1引言关键词空间站

2、姿态机动控制力矩陀螺路径规划分类号V448．22文献标识码A文章编号1674—5825(2011)04—0028-05姿态机动控制对于空间站完成期望的飞行任务是至关重要的。空间站的姿态机动控制通常采用喷气推力器执行。由于空间站质量大，采用这种方式进行一次大角度姿态机动需要耗费大量燃料。虽然控制力矩陀螺用于姿态控制可以减少空间站的燃料消耗，但是由于它产生的控制力矩较小、并存在角动量饱和问题，当将控制力矩陀螺应用于空间站大角度姿态机动、且采用传统的控制算法和飞控软件时，很容易出现饱和，一旦角动量饱和，控制力矩陀螺就失去了姿态控制

3、能力，需要喷气推力器工作进行卸载。由于空间站需要频繁执行包括姿态模式切换、大角度偏航等姿态机动，大量的燃料消耗给空间站的后勤补给带来了较大的负担。在国际空间站建造和运营中，研究人员开展了使用控制力矩陀螺进行大角度姿态机动的可行性研究【1-9。1996年，Draper实验室的Bedrossian在集中动量管理概念研究中最早提出了零燃料姿态机动(ze—roPropellantManeuver，ZPM)[1102006年11月5日，首次在国际空间站上开展了ZPM技术的演示验证试验，在不消耗燃料的情况下，国际空间站在7200s内机动

4、了900阁。2007年3月3日，国际空间站又成功地使用控制力矩陀螺进行了不消耗燃料的1800姿态机动，而2007年1月2日国际空间站采用喷气推力器完成1800姿态机动时则消耗了50．76kg燃料，使用角动量交换装置实施一次国际空间站的180。姿态机动可节省成本约110万美元【4】。ZPM作为一类新颖的空间站大角度姿态机动，不同于现有的小卫星使用角动量交换装置的大角度姿态机动。对小卫星的大角度姿态机动研究主要解决控制算法问题，采用合适的控制算法实现大角度姿态机动，包括切换控制算法1sl、逐次逼近控制算法m以及递阶饱和控制算法【

5、8l等，且机动的路径都是沿欧拉轴的最短路径实施，一般只对机动过程中的控制力矩实施饱和限定，以避免角动量交换装置产生饱和。而ZPM主要解决机动路径规划的问题，通过规划出合理的姿态运动轨迹，并在机动过程中实施动量管理，只需要采用简单的姿态控制算法，就可以实现只采用角动量交换装置进行的大角度姿态机动。本文对采用控制力矩陀螺的空间站零燃料大角来稿日期：2011--05—31；修同日期：201l-06_23。作者简介：赵乾(1987．05一)，男，硕士研究生，研究方向为飞行器总体设计与系统仿真研究。28基础研究载人航天2011年第4期

6、度姿态机动路径规划开展研究，采用四元数建立了姿态动力学模型，姿态机动控制算法采用星上常用的PD控制算法；建立了路径规划模型，设计变量选取为机动路径，优化指标为机动过程中的角动量峰值，约束条件为初值终端状态参数，采用直接打靶法对机动路径进行优化，相比Bedrossian等学者在ZPM研究中采用的路径规划算法13J，直接打靶法更具直观性，优化变量只需选取机动过程控制变量；仿真分析对比了沿规划路径与沿欧拉轴机动的结果，仿真结果表明路径规划可以使空间站的控制力矩陀螺在大角度姿态机动过程中远离饱和，实现了零燃料大角度姿态机动。2姿态动

7、力学与控制模型2．1动力学模型在研究大角度姿态机动控制时，用欧拉角作状态变量就很不方便，因为欧拉方程的奇点会给问题的研究带来困难。欧拉四元数也可以用来描述角位置，而且四元数表示的运动方程不存在奇点的问题，方程的形式也较为简单，因此用四元数研究大角度姿态机动较为方便。建立姿态运动学方程为·1覃=}以(妒‰(q))(1)二其中，口描述了空间站体坐标系相对于轨道坐标系的姿态四元数，∞为空间站的绝对角速度在体坐标系中表示，妣(g)为轨道角速度在空间站体坐标系中的表示，力表示为--q1-'q2-q3go13q293go—q1-q2gl

8、qo(2)在体坐标系中建立形式如下的欧拉动力学方程帆坷，w—∞×(知柏)4(3)其中，，为转动惯量，％为重力梯度力矩，L为气动力矩，w为除重力梯度力矩和气动力矩外的干扰力矩，h为控制力矩陀螺的角动量。2．2控制器模型采用PD控制器实现姿态机动控制。假设g。和够为航天器的目标姿态和目标角速度