考虑单框架控制力矩陀螺部分失效的空间站姿态机动方法

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1、考虑单框架控制力矩陀螺部分失效的空间站姿态机动方法*收稿日期：2014-XX-XX基金项目：国家自然科学基金资助项目（11272346）；国家973计划资助项目（2013CB733100）.作者简介：赵乾（1987-），男，辽宁康平人，博士研究生，E-mail：zhaoqianmars@gmail.com；唐国金（1963-，通信作者）,男,教授,博士，博士生导师，E-mail：tanggj@nudt.edu.cn赵乾，唐国金（国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073）摘要：本文研究

2、了考虑单框架控制力矩陀螺（SGCMG）部分失效的空间站姿态机动问题。首先对金字塔构型SGCMG的失效特性进行了分析。然后，结合SGCMG部分失效的特点，构造了基于Legendre伪谱法的重规划姿态机动路径求解方法。考虑了SGCMG失效情况的不可预测性，设计了自适应操纵律，该操纵律可以根据指令力矩与输出力矩的偏差对SGCMG的失效情况进行诊断，从而调节操纵律的内部参数，实现失效情况操纵律的自适应调节。仿真结果表明，采用本文所提出的姿态机动路径重规划算法与自适应操纵律，在控制力矩陀螺部分失效的情况下，仍

3、可以实现空间站的大角度姿态机动。本文所提出的姿态机动方法，可以有效应对空间站大角度姿态机动过程中可能出现的SGCMG部分失效，从而提高空间站姿态机动任务的安全性与可靠性。关键词：姿态机动；控制力矩陀螺；路径规划；操纵律中图分类号：V421.4文献标志码：A　　　文章编号：SpaceStationAttitudeManeuverMethodConsideringPartialFaultofSingleGimbalControlMomentGyroscopesZhaoQian,TangGuojin(Co

4、llegeofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073)Abstract:TheproblemofspacestationattitudemaneuvermethodconsideringpartialfaultofSGCMG(SingleGimbalControlMomentGyroscopes)isstudiedinthispaper.First,thefaultchar

5、acterofpyramidconfigurationSGCMGisanalyzed.Andthen,thecalculationapproachsolvingthereplanedattitudemaneuverpathisproposedbasedonLegendrepseudospectralmethod.ConsideringunpredictabilityoftheSGCMGfault,anadaptivesteeringlawisdesigned.Usingthissteeringlaw

6、,thefaultstateofSGCMGcanbedetectedandtheparametersofthesteeringlawcanbeself-tuned.Thesimulationresultsrevealthat,usingthepathreplanmethodandadaptivesteeringlaw,thelargeangleattitudemaneuvercanbeaccomplishedwhenSGCMGencounterpartialfault.Theproposedmeth

7、odcancopewithpartialfaultstateofSGCMGduringattitudemaneuvereffectively,soastoimprovesecurityandreliabilityofthespacestationattitudemaneuvermission.Keywords:AttitudeManeuver；ControlMomentGyroscopes；PathPlanning；SteeringLaw8在空间站建造与运营的过程中，往往需要通过姿态机动来辅助完成交

8、会对接、舱段转移等特定的任务[1]。空间站的姿态机动通常采用姿控发动机作为执行机构，采用这种方式需要耗费大量的燃料。控制力矩陀螺（ControlMomentGyroscopes,CMG）是一种角动量交换执行机构，仅需电能就能够进行工作，不需要消耗燃料[2]。然而，在姿态机动过程中，CMG持续地与空间站进行角动量交换，很容易出现饱和或奇异现象，从而失去控制能力。为了有效减少姿态机动任务中的燃料消耗，美国麻省理工学院的Bedrossian于1996年提出了零燃料大角度姿态