基于双框架控制力矩陀螺的航天器动量管理.pdf

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1、上海航天AERoSPACESHANGHAl2011年第1期文章编号：l006一1630(2011)01一0028一04基于双框架控制力矩陀螺的航天器动量管理卢松涛，王磊，赵育善(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：为减小维持大型航天器的姿态稳定和降低能量消耗的动量管理中的扰动力矩对姿态稳定的干扰，设计了周期性抑制滤波器。姿态控制的执行机构采用双框架控制力矩陀螺群(D(二CMGs)，应用KENNEL操纵率，使航天器执行机构的角动量在本体系的z轴分量和偏航角可迭稳定，同时角动量在本体系的z轴分量和滚转角可在较小的范围内振荡。数值仿真结果验证了方案的可行性。关键

2、词：动量管理；双框架；控制力矩陀螺；KENNEL操纵率中图分类号：V448．222文献标志码：AMomentumManagementofSpacecra“BasedonDGCMGsLUSong—tao，WANGLei，ZHAOYu—shan(SchooIofAstronautics，Be巧ingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Abstract：Inordertodecreasethedisturbanceontheattitudestabilizationinthemomentumma

3、nage“lentoftheattitudemaintainandreducetheenergyconsumedforthelargespacecraft，theperiodrestrainedrejectorwasdesignedinthispaper．Thedoublegimbaledcontrolmomentgyros(ⅨjCMGs)wereusedastheattitudecontroIinstitution，sothatthesegmentofanglemomentumonthezaxisandyawinganglecouldbestabilized，andt

4、hesegmentofanglemomentumonthezaxisandrollinganglecouldbeosciUatedinsmaUrangebyusingKENNEL’scontrollaw．Thenumericalsimulationresultsprovedthefeasibilityofthemomentummanagementproject．Keywor凼：MomentummarIagement；Doublegimbaled；Controlmomentgyros；KENNEL’scontro¨awO引言航天器的动量管理是通过一组反馈增益使飞行器达到力

5、矩平衡姿态(TEA)状态或姿态在TEA小幅周期振荡，同时将控制变量(双框架控制力矩陀螺角动量)限制在一定范围内[1]。作为研发DGCMGs的主要国家，美国在1965年前后开始研究口]。DGCMGs实质上是一种陀螺力矩发生器，有内外两个框架，框架转轴相互垂直，并通过飞轮的质心，其主体是带框架系统的大角动量陀螺转子。与其他动量交换执行机构相比，DGCMG的优点有：效率高；动态响应快；控制特性线性度好；能提供极高的力矩放大作用，其功耗可较飞轮系统小一个量级；冗余度大。YOSHIKAWA在1975年研究了带空转的收稿日期：2009—0z一19l修回日期：2009-05—05作者

6、简介：卢松涛(1981一)，男，博士生，主要研究方向为飞行器制导、导航与控制。DGCMG操纵律，给出了三正交和三平行构型的仿真算例，当系统接近奇异邻域时可较好地逃离奇异[31。KENNEL在1970年设计的既简单又有效的操纵律被应用于空间实验室[4]。1981年，KENNEL提出了平行构型的新型操纵律[5]。与此前的操纵率相比，该操纵率利用冗余的控制自由度，根据指令力矩能更好地平均分配框架角速率(可使陀螺群使用寿命更高)，同时也可更好地避免奇异。文献[6]研究了利用单框架控制力矩陀螺作为执行机构对空间站的动量管理。文献[7]研究了空间站鲁棒控制的动量管理，但未给出姿态控

7、制的执行机构的具体形式。本文将DGCMG作为执行机构，用5个DGC—MG组成平行构型的陀螺群，由KENNEL操纵律对航天器进行动量管理，加入周期性扰动滤波器以抑制姿态变化，并用Matlab数值仿真验证该方案的可行性。2011年第1期卢松涛，等：基于双框架控制力矩陀螺的航天器动量管理1基于DGCMG的航天器姿态动力学基于文献[8]的式(9)，将DGCMG作为姿态控制的执行机构，可得基于DGCMG的航天器姿态动力学方程为．，1日1+4挖2(．，2一．厂3)口1一咒(J1一．厂2+J3)伊3=一(L1一儿3)+M1；．，21口2+3n2(．，1