应用控制力矩陀螺的卫星姿态快速机动控制.pdf

航 空 学 报 Jan. 25 2011 Vol.32 No.X XX-XX Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V hkxb@ 文章编号: 1000-6893 （2011 ）XX-XXXX-XX1 应用控制力矩陀螺的卫星姿态快速机动控制 * 刘刚，李传江，马广富 ，黄静 哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨 150001 摘 要：针对使用单框架控制力矩陀螺SGCMG作为执行机构的卫星姿态大角度快速机动控制问题，设计了以Legendre 伪光谱算法和滑模控制方法相结合的控制策略。首先采用能量与时间相结合的最优性能指标，应用Legendre伪光谱算法 将最优控制问题转化成非线性规划问题，求解出能量和时间综合最优姿态机动轨迹。以该规划轨迹中的卫星姿态四元数 和角速度信息为跟踪期望值，采用滑模变结构控制方法对其进行精确跟踪。该控制方法不仅实现了卫星姿态的快速机 动，而且可以有效避免SGCMG陷入奇异状态。 关键词：控制力矩陀螺；姿态机动；伪光谱算法；路径规划；滑模 中图分类号：V448.2 文献标识码：A 现存的SGCMG 操纵律大多采用鲁棒伪逆 引言 （SR ）的局部回避奇异点方法，对奇异情况的处 当前，复杂的航天任务要求卫星等航天器具 理能力并不理想。Paradisso首先提出了一种在SR 有姿态机动和跟踪的能力，确保经过一系列控制 解附近离线规划 SGCMG 框架角轨迹的方法 后能够达到姿态指向和指令要求。而且随着航天 [1] ，Defendini则指出最有效的回避奇异的方法是 任务的发展，对大角度快速姿态机动控制能力的 在整个机动过程中考虑航天器和SGCMG 的综合 需求更加迫切，卫星姿态快速机动的控制问题日 模型进行规划[2] 。 益为学者所关注。单框架控制力矩陀螺（Single 规划问题一般都可以转换为最优控制问题， Gimbal Control Momentum Gyroscope ， 简 称 可采用庞特里亚金极小值原理(PMP)进行求解 ， SGCMG ）能够有效支持这种高速率机动，其本 Scriverner等[3]总结了航天器姿态机动时间最优控 身所具有的优点，如极强的瞬间力矩输出能力和 制及相关问题，并列举了解决时间最优姿态的原 较低的功耗等，使其成为卫星快速姿态机动实现 理方面的困难。Bilimoria等[4]证明了绕欧拉轴旋 的最理想的执行机构，但奇异性的问题在一定程 转的机动不是时间最优机动，并采用多目标打靶 度上制约了它的发展。 法设计了时间最优控制器。文献[5-6]解决了机动 收稿日期：2011-01-12 ；退修日期：2011-04-06 ；录用日期：2011-04-20 ；网络出版时间： 2011-5-9 12:02 /kcms/detail/11.1929.v1202.007.html CNKI:11-1929/V1202.007 网络出版地址： DOI ： 基金项目：国家自然科学基金 (基金号 ；高等学校博士学科点专项科研基金（基金号20102302110031 ）； *通讯作者.马广富 Tel. ：0451E-mail: magf@ 引用格式：刘刚，李传江，马广富，等．应用控制力矩陀螺的卫星姿态快速机动控制[