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空间站姿态控制特性分析

黄厚田  
【摘要】:空间站是最有代表性的大型载人航天器,其空间应用价值巨大。同时空间站系统是世界上最复杂、实现难度最大、应用新技术最多的系统。空间站安装的大型挠性附件,舱段式空间站的转位过程,空间站对动量管理的需求都对空间站姿态控制系统提出了新的问题。本文就空间站姿态控制中的这三个基本问题进行了分析。 首先,本文建立了空间站姿态运动的动力学模型和运动学模型,重点分析了空间站在轨飞行受到的主要扰动力矩,并给出了对气动力矩和重力梯度力矩的详细建模方法。 其次,分析了挠性附件对空间站姿态控制精度的影响,以及挠性附件振动的衰减情况。分析了不同帆板基频对空间站姿态控制的影响,并仿真验证了在合理设计姿态控制系统带宽后,闭环控制条件下由连续控制力矩激起的帆板振动对空间站姿态控制的精度和动态响应的影响都很小。 再次,针对多舱段式空间站特有的舱段转位问题,建立了舱段转位过程中的多体动力学模型。仿真分析了转位过程中气动力矩和重力梯度力矩的影响,分析了转位过程对空间站姿态控制执行机构提出的要求。可以得出结论,水平舱段转位过程优于竖直舱段转位过程,主要体现在控制力矩陀螺动量积累峰值较小。 最后,基于TEA飞行模式,在TEA姿态附近完成了对对称构型空间站动力学方程和运动学方程的线性化,给出了动量管理思想,并设计了用于姿态控制/动量管理的带稳定裕度的LQR控制器,分别针对不带扰动抑制控制器和带扰动抑制控制器的性能进行了仿真分析,结果表明带扰动抑制的LQR控制器可以很好地实现空间站姿态控制与动量管理的折衷。


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