欠驱动刚性航天器旋转轴稳定研究

研究欠驱动刚性航天器受到干扰力矩作用时的旋转轴指向稳定控制问题。首先采用(w,z)姿态参数建立欠驱动刚性航天器的运动学方程,然后引入干扰模型,采用退步法和内模原理设计了一种新的控制律,并结合Lyapunov直接法和Barbalat引理证明了该控制律的全局渐近稳定性。理论分析和仿真结果都表明新的控制律能够实现旋转轴指向全局渐近稳定。     

有扰情况下航天器全局稳定姿态跟踪控制

许多空间飞行任务要求航天器姿态跟踪控制。由于航天器在跟踪过程中不可避免要受到各种干扰，因此有必要研究有扰情况下航天器的姿态跟踪问题。本文率先针对存在常值扰动和正弦扰动情况时的姿态跟踪控制问题，采用退步法和内模原理设计了基于误差四元数的姿态跟踪控制律，并结合Lyapunov直接法和Barbalat引理证明了系统的全局渐近稳定性。理论分析和数学仿真结果表明该控制律能使系统全局渐近稳定，能够有效消除常值干扰和正弦干扰的影响。     

近距离航天器相对轨道的鲁棒自适应控制

针对近距离航天器的相对轨道提出了一种鲁棒自适应控制律。在追踪星本体坐标系中考虑航天器的相对运动。首先,在转动惯量未知的情形下提出了自适应控制律,保证系统的全局渐近稳定性。其次,将两星地心引力加速度之差作为干扰加速度,并假设干扰有未知上界,对自适应控制律进行修正,提出了鲁棒自适应律,使得系统是全局一致最终有界稳定的。控制律的设计不需要绝对轨道信息,适用于任意轨道。对航天器编队飞行和空间交会两种情形分别进行了仿真分析,结果表明所设计的控制律是合理有效的。     

无角速度测量的受扰挠性航天器姿态稳定控制

研究了无角速度测量信息挠性航天器在受到正弦干扰作用下的姿态渐近稳定控制问题.针对挠性航天器,为解决陀螺故障或无陀螺配置情形下无角速度测量的姿态控制问题,同时抑制正弦干扰影响,基于无源性方法和内模原理设计了仅依赖姿态测量的动态控制器,利用Lvapunov方法和LaSalle不变原理证明了无扰闭环系统的全局渐近稳定性,并对受扰系统进行了稳态分析,得出了稳定结论.数学仿真表现出所设计的控制律能较好的抑制干扰影响,渐近稳定受扰系统,验证了控制律的有效性.     

采用变惯量飞轮的航天器自适应姿态控制

变惯量飞轮(VIW)是一种新的航天器姿态控制执行机构。它不仅可以通过改变飞轮转速来提供控制力矩,还可以通过改变飞轮的转动惯量来实现这一目的。研究利用VIW的航天器自适应姿态跟踪控制问题。建立了以VIW为姿态控制执行机构的航天器姿态动力学模型,并设计了全局渐近稳定的自适应姿态跟踪控制律。该控制律可在航天器惯量参数未知的情况下准确跟踪给定姿态,并同时估计系统的惯量参数。在VIW的操纵律中,以VIW的转速为权重依据来分配VIW的两种模式的控制力矩,以使VIW的惯量模式输出较大的控制力矩并有效降低飞轮转速。数值仿真结果验证了系统的有效性。     

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。     

采用平行构型变速控制力矩陀螺群的航天器姿态控制

研究了平行构型变速控制力矩陀螺群的控制律及其在航天器姿态控制中的应用。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局渐近稳定的姿态反馈控制律。将每一对框架平行的陀螺作为独立的单元控制，引入了与控制力矩陀螺的框架运动相关的动坐标系，在此基础上给出了控制力矩陀螺的一种控制律。此控制律使陀螺群在奇异状态下仍具有可控性，并且力矩误差在动坐标系的某一方向始终为零，从而利用共轴的构型特点和陀螺转子的可变速性补偿控制力矩陀螺的力矩误差，使变速控制力矩陀螺群的输出力矩与期望的力矩相等。最后以双平行构型为例，对航天器的姿态稳定控制进行了数值仿真，并给出了一种控制力矩的分配方案。仿真结果证明了控制律算法的有效性。     

零角动量欠驱动航天器逆最优稳定控制律设计

研究轮控式零角动量欠驱动航天器姿态最优稳定控制问题。考虑到该类型航天器不存在定常光滑稳定控制律的特点,通过Lyapunov直接法和Backstepping方法设计了一种非线性不连续反馈控制律,同时得到控制Lyapunov函数（CLF）,并由此得到逆最优稳定控制律。该控制律可以避开求解Hamilton-Jacobi方程,最小化某一代价函数,同时具有扇形稳定裕度,对输入不确定性具有一定的鲁棒性。数学仿真结果表明,所设计的非线性不连续反馈控制律能够使姿态渐近稳定至平衡点,并具有最优性,以及在转动惯量存在不确定性时,扇形稳定裕度使系统具有一定的鲁棒性。     

考虑多禁止指向区域的航天器反步姿态机动控制

针对规避多个禁止指向区域的航天器姿态机动控制问题，本文在利用势函数法构造约束条件的基础上设计了一种基于反步法的航天器姿态机动控制律。首先，构造了一种通用的基于误差四元数的航天器锥形禁止指向姿态集描述，并将其转化为凸约束集形式。其次，基于该凸约束集，提出了一种物理意义明确的新型凸势函数构造方法，且该势函数仅存在唯一全局最小值，避免了传统势函数的局部极小值问题。进一步地，考虑多个禁止指向区域，设计了一种基于反步法的航天器姿态机动控制律。最后，通过典型数值仿真算例表明了本文所提出控制算法的有效性和优越性。     

欠驱动航天器的分段解耦姿态控制

研究欠驱动航天器姿态控制系统设计问题。首先给出了欠驱动航天器的姿态动力学方程和运动学方程。然后,基于系统模型的特点,采用分段解耦控制的思想,依次为动力学系统和运动学系统设计了渐近稳定的控制律,使航天器进入三轴稳定状态或自旋稳定状态。最后通过数值仿真验证了分段解耦控制方法的有效性。     

间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器，提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量，根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用 Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解，避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。     

欠驱动刚性航天器可行轨迹生成算法研究

研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法针对欧拉角姿态描述的系统模型,不仅能够有效地简化系统平滑变换中的奇异点避让问题,而且即使是在大角度机动的情况下,仍然能够保证轴对称欠驱动航天器的姿态角速度和相应的控制输入力矩始终保持在合理的范围内。仿真结果表明,该算法计算量小、计算速度快,这使得欠驱动航天器后续的轨迹规划和轨迹跟踪等算法的在线实际应用成为可能。     

基于微分平滑的欠驱动刚性航天器时间最优轨迹规划研究(英文)

针对非轴对称欠驱动航天器提出了一种新的基于微分平滑特性的时间最优轨迹规划算法。首先,在控制输入受限的约束条件下,对给定的初末姿态,选取航天器机动时间最短为待优化的性能指标。其次,在欠驱动航天器的非受控轴上引入虚拟控制输入,扩展系统的平滑特性,从而使得系统的姿态和控制输入变量均可由平滑输出函数及其各阶导数代数表征;同时为保证优化问题的等价性,引入虚拟控制输入始终为零的附加等式约束。进一步,利用伪谱法离散系统的平滑输出函数,将优化问题最终转化为一个低维的,仅含有代数约束的非线性规划问题,且无需积分求解系统的动态力学方程。仿真结果表明该算法不仅能够有效地减少优化所需的时间,而且运算精度较高。     

Control analysis of an underactuated spacecraft under disturbance

Based on the nonlinear controllability theory, this paper analyzes the attitude controllability for an underactuated spacecraft using two or one thrusters in sequence. In order to provide a preconditional guide on designing the control law for the underactuated attitude control system in the actual case, the underactuated spacecraft with respect to the orbit frame is investigated in the presence of periodical oscillation disturbance. First, attitude dynamic model was established for an underactuated spacecraft actuated by three thrusters, one or two of which has failed separately, and the special orthogonal group (SO(3)) is deployed to describe the attitude motions. Second, Liouville theorem and Poincaré’s recurrence theorem were used to confirm that the drift field is Weakly Positively Poisson Stable (WPPS). Furthermore, the sufficient and necessary condition of controllability was obtained on the basis of Lie Algebra Rank Condition (LARC). Finally, according to the case of two available thrusters, angular velocity stabilization and three-axis attitude stabilization control laws are designed, and proved by Lyapunov stability theory and LaSalle invariant theorem. The analysis and simulation results illustrate the feasibility of the proposed control law.     

A novel single thruster control strategy for spacecraft attitude stabilization

Feasibility of achieving three axis attitude stabilization using a single thruster is explored in this paper. Torques are generated using a thruster orientation mechanism with which the thrust vector can be tilted on a two axis gimbal. A robust nonlinear control scheme is developed based on the nonlinear kinematic and dynamic equations of motion of a rigid body spacecraft in the presence of gravity gradient torque and external disturbances. The spacecraft, controlled using the proposed concept, constitutes an underactuated system (a system with fewer independent control inputs than degrees of freedom) with nonlinear dynamics. Moreover, using thruster gimbal angles as control inputs make the system non-affine (control terms appear nonlinearly in the state equation). This necessitates the control algorithms to be developed based on nonlinear control theory since linear control methods are not directly applicable. The stability conditions for the spacecraft attitude motion for robustness against uncertainties and disturbances are derived to establish the regions of asymptotic 3-axis attitude stabilization. Several numerical simulations are presented to demonstrate the efficacy of the proposed controller and validate the theoretical results. The control algorithm is shown to compensate for time-varying external disturbances including solar radiation pressure, aerodynamic forces, and magnetic disturbances; and uncertainties in the spacecraft inertia parameters. The numerical results also establish the robustness of the proposed control scheme to negate disturbances caused by orbit eccentricity.     

轮控航天器的IMM自适应反步变结构容错控制

针对存在飞轮故障、转动惯量不确定性和干扰力矩的轮控航天器姿态机动问题,提出了一种基于交互多模型算法(IMM)的自适应反步变结构容错控制方法。该方法可以有效提高系统控制精度,保证航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的较小邻域;同时有效减小飞轮抖振,降低诊断不确定性对系统的影响。最后在Matlab/Simulink环境下对航天器姿态机动进行了仿真研究,结果表明了提出的控制算法在处理航天器姿态机动问题方面的有效性和可行性。     

非完整配置下姿态翻滚抑制的滑动控制

本文讨论了以非完整的单向推力器系统为执行机构时，刚性航天器的去翻滚控制问题。针对共面扰量降维完整配置，通过状态变换将其转化为变换系统的零扰量控制问题，基于滑动控制律实现了姿态角速度的淅进镇定，表明利用三个适当配置的单向推力器可以实现支翻滚任务。仿真结果证实了所述方法的有效性。     

Stability of large damped flexible spacecraft with stored angular momentum

Vibrational stability of large flexible structurally damped spacecraft carrying internal angular momentum and undergoing large rigid body rotations is analysed modeling the systems as elastic continua. Initially, analytical solutions to the motion of rigid gyrostats under torque-free conditions are developed. The solutions to the gyrostats modeled as axisymmetric and triaxial spacecraft carrying three and two constant speed momentum wheels, respectively, with spin axes aligned with body principal axes are shown to be complicated. These represent extensions of solutions for simpler cases existing in the literature. Using these solutions and modal analysis, the vibrational equations are reduced to linear ordinary differential equations. Equations with periodically varying coefficients are analysed applying Floquet theory. Study of a few typical beam- and plate-like spacecraft configurations indicate that the introduction of a single reaction wheel into an axisymmetric satellite does not alter the stability criterion. However, introduction of constant speed rotors deteriorates vibrational stability. Effects of structural damping and vehicle inertia ratio are also studied.     

Robust adaptive integrated translation and rotation control of a rigid spacecraft with control saturation and actuator misalignment

This paper handles the integrated translation and rotation tracking control problem of a rigid spacecraft with unknown mass property, actuator misalignment and control saturation. In view of the system natural coupling, the coupled translational and rotational dynamics of the spacecraft is developed, where a thruster configuration with installation misalignment is taken into account. By using anti-windup technique and backstepping philosophy, a robust adaptive integrated control scheme is proposed such that the spacecraft is able to track the command position and attitude signals in the presence of external disturbance, unknown mass property, thruster misalignment and control saturation. Within the Lyapunov framework, the uniformly ultimate boundedness of the system states is guaranteed. In particular, given the nominal case, the asymptotic convergence of the system states can be further ensured by the proposed control scheme. Finally, numerical simulation demonstrates the effect of the designed control strategy.     

欠驱动挠性航天器的单轴指向控制

研究欠驱动挠性航天器的单轴指向控制问题,该问题理论上涉及高维控制系统的非线性控制
,工程上对于航天器配置优化和提高控制系统可靠性非常重要。为此,提出了两段控制方法
：第一段是角速度镇定,第二段是在初始角速度为小量时的单轴指向控制。在此基础上,将
两段控制结合提出了完整的单轴指向控制算法,该算法能够有效保证闭环控制系统的大范围
渐近稳定性。理论分析和仿真结果验证了所提出控制方法的有效性。