《空間站零燃料大角度姿態機動機理與路徑規劃》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由唐國金擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：空間站零燃料大角度姿態機動機理與路徑規劃
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：唐國金
- 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
零燃料大角度姿態機動是新近在國際空間站得到套用的先進姿態控制概念，使用控制力矩陀螺替代噴氣推力器進行大角度姿態機動控制，通過規劃姿態機動路徑，使得控制力矩陀螺進行大角度姿態機動控制時免於飽和或奇異，實現姿態機動的零燃料消耗。本項目以我國空間站設計為背景，開展零燃料姿態機動的機理分析研究，研究力矩平衡姿態的存在性和穩定性分析的解析方法，從能量平衡角度研究零燃料姿態機動路徑的存在性，力圖揭示零燃料姿態機動的機理和適用條件；建立考慮了控制力矩陀螺框架操縱律的零燃料姿態機動路徑規劃模型，研究事先離線和實時線上規划算法，突破多約束兩點邊值問題這一零燃料姿態機動的關鍵技術；對零燃料姿態機動的關鍵制約參數進行設計最佳化；採用高精度的動力學模型對規劃結果進行數字仿真驗證。項目研究將形成系統的空間站零燃料姿態機動分析與設計的理論與方法體系，研究成果對我國空間站等大型太空飛行器的研製與運營具有重要實踐價值。
結題摘要
空間站零燃料姿態機動是新近在國際空間站得到套用的先進姿態控制概念，該技術能夠有效減少空間站的燃料消耗，延長在軌壽命、提高安全性。本項目研究了零燃料姿態機動機理與路徑規劃等內容。主要研究成果如下： 提出了零燃料姿態機動路徑存在性分析方法。1、求解了力矩平衡姿態的解析解，基於勞斯判據分析了力矩平衡姿態的穩定性；2、基於解析與數值方法，分析了典型構形單框架控制力矩陀螺顯隱奇異面與角動量包絡面的分布規律；3、推導了姿態機動路徑的存在性條件，為零燃料姿態機動技術在我國未來空間站的實施提供重要的理論依據。 構建了零燃料姿態機動路徑規劃模型與算法體系。1、考慮邊界條件、過程約束等複雜約束條件，以控制力矩陀螺的角動量幅值、機動時間、消耗時間等為性能指標，構建了路徑規劃模型；2、在單目標最佳化算法方面，提出了混合求解策略及快速路徑規劃方法；3、在多目標最佳化算法方面，推導了各性能指標之間的定性折中關係，並求解了滿足不同偏好的最優姿態機動路徑，得到了多個目標函式的Pareto最優前沿。 提出了零燃料姿態機動參數分析與最佳化方法。1、分析了常值參數及狀態參數的不確定性對零燃料姿態機動任務的影響；2、構造參數最佳化模型，對單參數和多參數最佳化問題進行求解，進一步確定零燃料大角度姿態機動的適用性條件；3、基於人工勢函式設計了控制力矩陀螺避飽和控制律，基於顯隱奇異函式設計了控制力矩陀螺複合自適應操縱律，進一步提高了控制律與操縱律有效性。 開展了零燃料姿態機動任務的仿真驗證。1、對空間站零燃料姿態機動仿真系統進行了總體設計，基於RT-Lab平台開發了高精度的空間站姿態機動仿真系統；2、開展標稱情況與偏差情況的數字仿真試驗，分析了主要誤差對姿態機動任務的影響；3、對半實物地面試驗系統進行了方案設計，對系統的組成、功能、工作流程及接口進行了設計，基於相似原理，對地面試驗系統開展了相似性設計並進行了驗證。
