应用SGCMG的卫星姿态快速机动控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinica0ct．252011V01．32No．101905．1913ISSN1000·6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa，edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000一6893(2011)10-1905—09应用SGCMG的卫星姿态快速机动控制刘刚，李传江，马广富*，黄静哈尔滨T业大学控制科学与工程系，黑龙江哈尔滨150001摘要：针对存在外界干扰的情况下使用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执

2、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。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控制。而且可以有效避免SGCMG陷入奇异状态。关键词：控制力矩陀螺；姿态控制；伪光谱算法；路径规划；滑模中图分类号：V448．2文献标识码

3、：A当前，复杂的航天任务要求卫星等航天器具有姿态机动和跟踪的能力，确保经过一系列控制后能够达到姿态指向和指令要求。而且随着航天任务的发展，对大角度快速姿态机动控制能力的需求更加迫切，卫星姿态快速机动的控制问题日益为学者所关注。单框架控制力矩陀螺(SGC—MG)能够有效支持这种高速率机动，其本身所具有的优点，如极强的瞬间力矩输出能力和较低的功耗等，使其成为卫星快速姿态机动实现的最理想的执行机构，但奇异性的问题在一定程度上制约了它的发展。现存的SGCMG操纵律大多采用鲁棒伪逆(SR)的局部回避奇异点方法，对奇异情

4、况的处理能力并不理想。Paradiso[13首先提出了一种在SR解附近离线规划SGCMG框架角轨迹的方法，Defendini等[2]则指出最有效的回避奇异的方法是在整个机动过程中考虑航天器和SGCMG的综合模型进行规划。规划问题一般都可以转换为最优控制问题，可采用庞特里亚金极小值原理(PMP)进行求解，Scrivener等[3]总结了航天器姿态机动时间最优控制及相关问题，并列举了解决时间最优姿态的原理方面的困难。Bilimoria等[4]证明了绕欧拉轴旋转的机动不是时间最优机动，并采用多目标打靶法设计了时间最

5、优控制器。Carrington和Schaub等∞{3解决了机动时问固定的最优姿态控制问题。由于PMP微分方程组具有高度的非线性和强的耦合性，通常需采用数值算法求解。但是对于终端时间不定的动态优化问题，利用数值方法求解也存在困难，因此常用打靶法来解决，但该方法迭代次数多，计算量较大。因而，目前针对终端控制时间不定的非对称刚体航天器的大角度时间最优控制问题的研究逐渐转向了直接法。伪光谱算法，作为一种解决最优控制问题的直接方法，近来在航天器最优控制中展现出了较大的优越性[7]，特别是分别在2006年11月和收稿日期

6、：2011．01·12；退修日期：2011一04-06；录用日期：2011·04—20；网络出版时问：2011．05．0912：02：37网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110509．1202007．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110509．1202．007基金项目：国家自然科学基金(61004072)；高等学校博十学科点专项科研基金(20102302110031)．X-通讯作者．Tel．：0451-86402726E-mail：rn

7、agf@hit．edu．CJl亨l甩格武l捌刚．李传江．马广害。等．应壤SGCMG的l星姿态快速机动控锏[J]i航空学报．2011．32(10)：1905-1913．LiuGang．LiChuanjiang·MaGuangfu，eta1．TimeefficientcontrollerdesignforsatelliteattitudemaneuversusingSGCMG[J_7．ActaAero-nauticaetAstronauticaSinica。20

8、I．32(10)；1905-1913．航空学报20

9、07年3月，应用伪光谱算法成功地实现了没有推进器的国际空间站大角度机动。在理论研究中，Fleming【81首次将伪光谱算法应用于航天器时间和能量最优机动问题；Benson[们通过Gauss伪光谱方法将积分方程和约束条件转化为非线性规划问题(NI。P)，并证明了离散Ham—iltonian两点边值问题的一阶条件与非线性规划问题中Karash-Kuhn-Tueker(KKT)条件是等同的；Hunting