上面级轨道转移段姿态控制技术

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1、２０１４年１０月中国空间科学技术４１第５期ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ上面级轨道转移段姿态控制技术１１１２王召辉金磊贾英宏段佳佳（１北京航空航天大学，北京１００１９１）（２上海航天控制技术研究所，上海１０００４８）摘要由于姿态与轨道运动的耦合，以及制导系统确定的发动机推力矢量方向不通过系统质心所引起的干扰力矩，火箭上面级轨道转移段的姿态运动会受到很大的干扰，为此，研究了利用轨控矢量发动机主动摇摆和滚转姿控发动机喷气的上面级姿态控制技术。首先，利用凯恩方程建立包括上面级本体、发动机旋转支架以及矢量发动机的系统多体动力学方程，推导了矢量发动机工作时偏

2、心引起的干扰力矩和推力矢量控制中矢量发动机的摆角计算公式，利用矢量发动机主动摇摆和滚转姿控发动机喷气控制上面级的姿态。其次，基于变结构控制方法，设计了上面级轨道转移段的姿态控制律，使得上面级轨道转移期间姿态控制的精度达到了１０－３级别，且矢量发动机推力矢量既为制导指令方向又通过系统质心，减小了矢量发动机对上面级的干扰力矩。最后，进行了数值仿真，仿真算例结果验证了控制律的可行性。关键词变结构控制；矢量发动机；轨道转移；姿态控制ＤＯＩ：１０３７８０／ｊｉｓｓｎ１０００７５８Ｘ２０１４０５００６１引言小卫星具有自主控制程度高、质量轻、研制周期短、机动性强、造价和发射成本低等

3、特点，是现代航天技术中的重要研究领域，它能以更低的成本完成卫星搭载试验等空间科学任务，已成为国际上的研究热点。由于小卫星质量轻、体积小，根据现在火箭运载能力，“一箭多星”成为发射小［１］卫星的主要方式，负责小卫星在轨释放的是火箭上面级。近年来，很多学者对上面级姿态的控制进行了研究：文献［２］研究了轨道转移段的姿态控制技术，但在动力学模型中没考虑轨道因素；文献［３５］中研究了上面级的姿态控制技术，但仅限于将上面级组合体模型看作单刚体模型；文献［６８］研究了利用矢量发动机控制姿态的技术，但没有考虑推力对轨道的影响。上述研究对上面级矢量发动机推力对轨道和姿态的耦合考虑不充分，会产生较

4、大的轨道转移和入轨误差，需要在轨道中途或末端进行轨道修正，这样就要多消耗燃料和时间。针对上述不足，本文考虑了轨道与姿态运动相互耦合的影响，在上面级进行轨道控制的时候，利用矢量发动机主动摇摆和滚转姿控发动机控制上面级的姿态，使得上面级矢量发动机的推力方向既能满足轨道转移的要求，又通过上面级的质心，减小轨道转移段矢量发动机对上面级产生的干扰力矩，从而在实际发射任务中可以提高轨道转移的精度，减少轨道转移阶段的中途修正以节省燃料，在一箭多星任务中有较广的应用前景。收稿日期：２０１４０２１８。收修改稿日期：２０１４０５０６４２中国空间科学技术２０１４年１０月２运动学建模上面级组合体系

5、统构型如图１所示，为描述系统的运动，引入如下坐标系：１）惯性坐标系ＦＩ（Ｏ－ＸＹＺ）：原点位于地球中心Ｏ，Ｚ轴沿地球极轴指向北极，Ｘ轴指向春分点，Ｙ轴与Ｘ、Ｚ轴构成右手坐标系；２）轨道坐标系Ｆｒ（Ｏｒ－ｘｒｙｒｚｒ）：原点Ｏｒ位于上面级组合体质心，ｚｒ轴指向地心，ｙｒ轴指向轨道负法线方向，ｘｒ轴与其他两轴构成右手坐标系（ｘｒ轴沿轨道切线方向直向前）；３）上面级布局坐标系Ｆｂ（Ｏｂ－ｘｂｙｂｚｂ）：原点Ｏｂ位于上面级本体与矢量发动机对接面的几何中心，ｘｂ轴垂直于对接面指向上面级飞行方向，ｚｂ、ｙｂ在对接面内与ｘｂ轴构成右手坐标系。当中心体相对于轨道坐标系的三个姿态角为零时，各轴指向与

6、轨道坐标系Ｆｒ对应各轴指向相一致；４）上面级本体坐标系Ｆ１（Ｏ１－ｘ１ｙ１ｚ１）：原点Ｏ１位于上面级组合体质心，各轴指向与上面级布局坐标系Ｆｂ对应各轴指向相一致；５）矢量发动机安装坐标系Ｆｇ（Ｏｇ－ｘｇｙｇｚｇ）：原点Ｏｇ位于矢量发动机安装旋转点，ｙｇ与ｘｂ的方向相同，ｘｇ轴沿支架未旋转时的旋转轴方向，ｚｇ轴沿矢量发动机未旋转时的旋转轴方向与ｘｇ、ｙｇ构成右手坐标系。且ｚｇ与ｚｂ夹角为γ，沿ｘｂ正向旋转，大小由系统构型确定。６）矢量发动机的支架体坐标系Ｆｋ（Ｏｋ－ｘｋｙｋｚｋ）：原点Ｏｋ位于矢量发动机安装旋转点，ｘｋ轴沿支架旋转轴与ｘｇ轴的方向相同，ｚｋ轴指向为矢量发动机旋转轴方向

7、，ｙｋ轴与ｚｋ轴和ｘｋ轴构成右手坐标系；当支架旋转角为零时，Ｆｋ与Ｆｇ各轴指向一致。７）矢量发动机体坐标系Ｆｍ（Ｏｍ－ｘｍｙｍｚｍ）：原点位于矢量发动机安装旋转点，ｚｍ轴指向矢量发动机旋转轴方向，ｙｍ轴沿矢量发动机推力方向，ｘｍ轴与ｙｍ和ｚｍ轴构成右手坐标系；矢量发动机绕ｚｍ轴的转角为零时，Ｆｍ与Ｆｋ重合。图１上面级构型Ｆｉｇ１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｓｔａｇｅ根据上述坐标系的定义，建立系统的运动学方程如下：（１）上面级组合体平动运动学方程上面级组合体