卫星快速姿态机动过程中SGCMG奇异规避方法研究

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1、博士学位论文卫星快速姿态机动过程中ＳＧＣＭＧ奇异规避方法研究ＲＥＳＥＡＲＣＨＯＮＳＧＣＭＧＳＩＮＧＵＬＡＲＩＴＹＡＶＯＩＤＡＮＣＥＭＥＴＨＯＤＦＯＲＳＡＴＥＬＬＩＴＥＲＡＰＩＤＡＴＴＩＴＵＤＥＭＡＮＥＵＶＥＲ侯志立哈尔滨工业大学２０１７年１２月国内图书分类号：Ｖ４４８．２学校代码：１０２１３国际图书分类号：６２９．７８密级：公开工学博士学位论文卫星快速姿态机动过程中ＳＧＣＭＧ奇异规避方法研究博士研究生：侯志立导师：耿云海教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所

2、在单位：卫星技术研究所２０１７１２答辩日期：年月授予学位单位：哈尔滨工业大学ＣｌａｓｓｉｆｉｅｄＩｎｄｅｘ：Ｖ４４８．２Ｕ．Ｄ．Ｃ：６２９．７８ＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＤｅｒｅｅｉｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎｇｇｇＲＥＳＥＡＲＣＨＯＮＳＧＣＭＧＳＩＮＧＵＬＡＲＩＴＹＡＶＯＩＤＡＮＣＥＭＥＴＨＯＤＦＯＲＳＡＴＥＬＬＩＴＥＲＡＰＩＤＡＴＴＩＴＵＤＥＭＡＮＥＵＶＥＲＣａｎｄｉｄａｔｅ：ＨｏｕＺｈｉｌｉＳｕｅｒｖｉｓｏｒ．ｐ：ＰｒｏｆＧｅｎｇＹｕｎｈａｉＡｃａｄｅ

3、ｍｉｃＤｅｇｒｅｅＡｐｐｌｉｅｄｆｏｒ：ＤｏｃｔｏｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｅｃｉａｌｔｙ：ＡｅｒｏｓａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｐｐｇｙＡｆｆｉｌｉａｔｉｏｎ：ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤａｔｅｏｆＤｅｆｅｎｃｅ：Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１７，Ｄｅｒｅｅ－Ｃｏｎｆｅｒｒ－ｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ：ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｇｇｙ摘要摘要针对低轨成像卫星需要对目标点进行快速捕获与拍照的需求，本文对卫

4、星快速姿态机动过程中ＳＧＣＭＧ奇异规避方法进行研究，主要完成以下的内容：为了对ＳＧＣＭＧ的奇异问题进行分析，本文首先将平均曲率引入到奇异面类型的判定中，简化了奇异面的判定条件，为后续对奇异面边界的分析提供了理论基础。特别地，对于由四个ＳＧＣＭＧ组成的系统，分析并给出了特定角动量轨迹对应的框架角空间解的形式，并以此为依据，将初始框架角所在区域划分为可规避区域和不可规避区域两种，并在后续分别针对这两种情况设计相应的操纵律。对于初始框架角处于可规避区域的情况，以框架角速度的二次型关于时间的积分为指标，应用变分法原理，推导了具有解析表

5、达式的全局奇异规避操纵律一组最优的初始框架。应用该操纵律仅需要根据已知的参考角动量轨迹计算角速度即可，所需计算量很小，解决了以往全局奇异规避操纵律不存在解析解且所需计算量大的问题。针对实际角动量轨迹与参考角动量轨迹不完全相等的一问题，设计了种跟踪参考框架角轨迹的状态反馈操纵律，使得所设计的全局奇异规避操纵律能够应用在实际的姿态控制系统中。当初始框架角处于不可规避区域时，对于特定的角动量轨迹，无法在不引入力矩误差的情况下应用全局奇异规避操纵律。针对该问题，对ＳＧＣＭＧ的参考角动量轨迹进行重新规划，确保在不引入力矩误差的情况下规避奇异

6、状态。一首先，提出种基于两次转动的姿态参数，并根据该姿态参数的特性，规划出一条位于锥面上的参考角速度轨迹。通过改变本体系与目标系的定义来改变参考角速度所在锥面的参数，从而拓宽了参考角速度轨迹的选择范围。最后，给出锥面参数的选取方法，以确保ＳＧＣＭＧ的角动量轨迹不会遇到奇异状态。然而，并非对于所有处于不可规避区域的初始框架角，都存在能够规避奇一异状态的参考轨迹。针对这种情况，本文设计了种能够快速脱离奇异状态的一操纵律，解决了传统奇异脱离操纵律无法保证脱离速度、甚至无法保证定能够脱离奇异的问题。首先，给出并证明了奇异面的边界条件，；随

7、后对陷入奇异状态后的指令力矩进行修改，确保ＳＧＣＭＧ角动量能够快速到达距离最近的边界点，设计了能够在奇异状态附近精确输出指令力矩的操纵律。；最后关键词：单框架控制力矩陀螺；奇异规避；操纵律；姿态机动；姿态轨迹规划－Ｉ－哈尔滨工业大学工学博士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｒａｐｉｄａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｈｏｔｏｒａｈｉｎｔａｒｅｔｏｉｎｔｓｐｇｐｇｇｐｆｏｒｔｈｅｌｏｗｏｒｂｉｔｉｍａｇｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｓｔｕｄｉ

8、ｅｓｔｈｅＳＧＣＭＧ