空间站零燃料大角度姿态机动机理与路径规划

Zero-propellant large-angle attitude maneuver is an advanced concept of attitude control, which has been applied to International Space Station (ISS) recently.Thrusters are replaced by control moment gyroscopes (CMGs) to accomplish large-angle attitude maneuver control. By planning attitude maneuver path, saturation or sigularity of CMGs is avoided and zero-propellant consumption is successfully accomplished. With the background of the Chinese Space Station design, this project studies the mechanism of zero-propellant maneuver (ZPM). The analytical methods of existence possibility and stability of torque equilibrium attitude are investigated. In the view of energy equilibrium, the existence possibility of ZPM path is studied, which attempts to reveal the mechanism and applying conditions of ZPM. Considered with CMGs gimbal steering law，ZPM path planning model is established, prior off-line and real-time on-board planning algorithms are studied ,then multi-constraints two-point boundary values problem will be solved, which is the key technology of ZPM. The key restriction parameters of ZPM are designed and optimized. With high precision dynamical model, the numerical simulation demonstration of ZPM path planning result is executed. This project will form the theoretical and methodological systems about analysis and design of ZPM. The research achievements have practical significance for manufacture and operation of Chinese Space Station and other large-scale spacecrafts.

零燃料大角度姿态机动是新近在国际空间站得到应用的先进姿态控制概念，使用控制力矩陀螺替代喷气推力器进行大角度姿态机动控制，通过规划姿态机动路径，使得控制力矩陀螺进行大角度姿态机动控制时免于饱和或奇异，实现姿态机动的零燃料消耗。本项目以我国空间站设计为背景，开展零燃料姿态机动的机理分析研究，研究力矩平衡姿态的存在性和稳定性分析的解析方法，从能量平衡角度研究零燃料姿态机动路径的存在性，力图揭示零燃料姿态机动的机理和适用条件；建立考虑了控制力矩陀螺框架操纵律的零燃料姿态机动路径规划模型，研究事先离线和实时在线规划算法，突破多约束两点边值问题这一零燃料姿态机动的关键技术；对零燃料姿态机动的关键制约参数进行设计优化；采用高精度的动力学模型对规划结果进行数字仿真验证。项目研究将形成系统的空间站零燃料姿态机动分析与设计的理论与方法体系，研究成果对我国空间站等大型航天器的研制与运营具有重要实践价值。

空间站零燃料姿态机动是新近在国际空间站得到应用的先进姿态控制概念，该技术能够有效减少空间站的燃料消耗，延长在轨寿命、提高安全性。本项目研究了零燃料姿态机动机理与路径规划等内容。主要研究成果如下： .提出了零燃料姿态机动路径存在性分析方法。1）求解了力矩平衡姿态的解析解，基于劳斯判据分析了力矩平衡姿态的稳定性；2）基于解析与数值方法，分析了典型构形单框架控制力矩陀螺显隐奇异面与角动量包络面的分布规律；3）推导了姿态机动路径的存在性条件，为零燃料姿态机动技术在我国未来空间站的实施提供重要的理论依据。.构建了零燃料姿态机动路径规划模型与算法体系。1）考虑边界条件、过程约束等复杂约束条件，以控制力矩陀螺的角动量幅值、机动时间、消耗时间等为性能指标，构建了路径规划模型；2）在单目标优化算法方面，提出了混合求解策略及快速路径规划方法；3）在多目标优化算法方面，推导了各性能指标之间的定性折中关系，并求解了满足不同偏好的最优姿态机动路径，得到了多个目标函数的Pareto最优前沿。.提出了零燃料姿态机动参数分析与优化方法。1）分析了常值参数及状态参数的不确定性对零燃料姿态机动任务的影响；2）构造参数优化模型，对单参数和多参数优化问题进行求解，进一步确定零燃料大角度姿态机动的适用性条件；3）基于人工势函数设计了控制力矩陀螺避饱和控制律，基于显隐奇异函数设计了控制力矩陀螺复合自适应操纵律，进一步提高了控制律与操纵律有效性。.开展了零燃料姿态机动任务的仿真验证。1）对空间站零燃料姿态机动仿真系统进行了总体设计，基于RT-Lab平台开发了高精度的空间站姿态机动仿真系统；2）开展标称情况与偏差情况的数字仿真试验，分析了主要误差对姿态机动任务的影响；3）对半实物地面试验系统进行了方案设计，对系统的组成、功能、工作流程及接口进行了设计，基于相似原理，对地面试验系统开展了相似性设计并进行了验证。