控制力矩陀螺辅助机动路径快速规划研究

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1、V01．19No．360载人航天MannedSpacenight第19卷第3期2013年5月控制力矩陀螺辅助机动路径快速规划研究章胜，黄海兵，赵乾，唐国金(国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073)摘要控制力矩陀螺辅助机动(ComrolMomentumGyroscopesAssistingManeuver，CMGsAM)作为新型的空间站大角度姿态机动技术，其对推力器机动技术与基于控制力矩陀螺(ControlMomentumGyroscopes，CMGs)的零燃料机动(zeroPropeUantManeuver，zPM)技

2、术进行了高效综合。为解决机动初始条件偏差等干扰的影响，提高cMGsAM机动的可靠性与灵活性，研究了燃料最优指标CMGsAM路径的快速规划。针对燃料最优解结构复杂、数值求解困难等问题，改进提出了变区间局部快速路径规划(RapidPathPlanning，RPP)方法，将区间时长扩充为优化变量，同时指定bang—off_bang的推力器控制规律，实现了优化CMGsAM路径的快速求解。1引言关键词空间站；大角度姿态机动；快速路径规划；控制力矩陀螺中图分类号：v448．21文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)03—0060

3、—08姿态控制技术是空间站运行的关键技术之一，包括姿态稳定控制和姿态机动控制两个方面[1】，空间站在进行交会对接等任务操作时需要进行大角度姿态机动。控制力矩陀螺辅助机动(Con仃olMomentumGv—roscopesAssistingManeuver，CMGsAM)是一种新型的空间站大角度机动技术概念[2]，不同于传统的推力器机动技术[31与2006年在国际空间站上得到演示验证、仅基于控制力矩陀螺(controlMomentumGvro—scopes，cMGs)的零燃料机动(zeroPropeUantMa—neuver，zPM)

4、技术【4】。采用纯CMGs进行姿态机动且要求较短时间完成姿态机动任务时，CMGs容易出现饱和，难以在规定时间内实现zPM。CMGsAM同时采用推力器与CMGs作为姿态控制执行机构，对推力器机动技术与zPM技术的优点进行高效综合，具有机动陕速、燃料节省、抗干扰能力强等优点。采用CMGs进行大角度姿态机动需要满足与cMGs性能相关的约束，姿态机动路径的快速规划对提高任务的可靠性与灵活性具有重要意义。对于传统的跟踪制导策略，机动路径的快速规划可以解决初始条件偏差，空间站参数(如惯量张量)改变等干扰的不利影响；对于在线优化的数值闭环制导策略

5、阁，路径快速规划是其基础。CMGsAM燃料最优控制是一个复杂的约束最优控制问题，最优控制问题的数值求解方法一般可以分为直接法或间接法【q。间接法求解由最优控制问题导出的两点边值问题，对于含约束的复杂最优控制问题目前尚难以通过间接法实现快速求解。直接法将最优控制问题直接离散为非线性规划(Nonlin—earProgramming，NLP)问题加以求解。由于燃料最优控制问题性能指标不连续可微，最优控制解不连续且结构复杂，一般采用有限离散点的直接法对此类问题进行求解比较困难。文献[2]采用改进的伪谱结点方法求解了cMGsAM燃料最优控制问

6、题，但是收稿日期：2012—12—25；修回日期：2013一04—2l基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272346)作者简介：章胜(1986一)，男，博士研究生，研究方向为航天器姿态动力学与控制。E—mail：zszhangshengzs@hotmail．com第3期章胜等：控制力矩陀螺辅助机动路径快速规划研究61其求解需要先验最优控制切换结构信息，这限制了方法使用的灵活性，同时即使已知控制切换信息，最优解计算也耗时较长，此外文章中没有考虑机动过程中可能出现的奇异情形，如果最优解存在奇异，采用该方法是无法有效求解的。快速路径

7、规划(RapidPathPlanning，RPP)方法是一种新近出现的轨迹优化方法，其最早应用于ZPM路径快速规划问题，该方法具有转化NLP问题稀疏与解连续可行的优点，当离散参数的数目限制在一定规模时，基于当前的数值求解技术可以实现轨迹优化问题的快速求解。对于CMGsAM燃料指标优化问题，采用现有的RPP方法效果不理想，本文对RPP方法进行了改进，提出了变区间局部RPP方法，并通过数值算例验证了方法的有效性。2CMGsAM路径规划问题CMGsAM路径规划，即寻找一条满足相关运动方程、边界条件与路径约束的可行机动路径。2．1运动方程首

8、先给出建模必要的坐标系，相关坐标系包括体系6与轨道系o。体系6与空间站固连，坐标原点o。位于质心，坐标方向与空间站几何特征方向一致。轨道系。坐标原点D。位于空间站质心，o。％轴指向速度方向，oo儿与轨道平面垂直，与轨道面法向反向，oo