题目：使用角动量交换装置的航天器姿态动力学与控制问题研究

本论文研究使用角动量交换装置的航天器的姿态动力学与控制问题。首先利用凯恩方程和角动量定理，建立了以单框架控制力矩陀螺 (SGCMGs)和动量轮(MWs)作为混合执行机构的中心刚体加挠性附件的航天器动力学模型。在执行机构能够完整输出三轴控制力矩的前提下，研究了全驱动航天器的姿态控制器设计问题。针对使用SGCMGs & MWs的刚性航天器，在航天器转动惯量已知的情况下，基于Lyapunov理论设计了姿态机动控制器和姿态跟踪控制器。针对带有SGCMGs的挠性航天器，基于自抗扰理论设计了鲁棒的姿态控制器，可分别实现姿态稳定和姿态机动控制，并讨论了自抗扰控制器的参数整定问题。在执行机构仅能输出两自由度控制力矩的情况下，研究了欠驱动航天器的姿态控制器设计问题。对于仅带两个SGCMGs的刚性航天器，在系统角动量不为零的情况下设计了角速度稳定控制器，适用于SGCMGs框架轴任意安装的构型；在系统角动量为零的情况下设计了相对于惯性系的三轴姿态稳定控制器，适用于SGCMGs框架轴同轴且沿航天器任意主惯量轴安装的构型。对于仅带两个MWs的刚性航天器，在角动量不为零的情况下，设计控制器实现了角速度稳定且同时航天器某一体轴指向任意给定惯性方向，这种稳定形式从广义上讲也属于三轴姿态稳定。而在RWs发生故障而未完全失效的情况下，采用扩张状态观测器对RWs进行了自主故障检测与恢复，以维持航天器正常的姿态控制性能。其后，研究了角动量交换装置的操纵律设计问题。针对常用的五棱锥构型SGCMGs，通过绘制奇异角动量超曲面，对其正常模式和侧面相邻两个陀螺失效的失效模式进行了奇异性和动量包络的对比分析。针对正常模式设计了伪逆加零运动操纵律和奇异鲁棒伪逆操纵律。而对于上述奇异问题相对比较严重的失效模式，设计了加入约束条件的操纵律，确保SGCMGs能在一个动量损失不大的角动量体内进行准确无奇异的操纵。基于奇异值分解的理论设计了SGCMGs & MWs的混合操纵律，解决了单独使用SGCMGs作为执行机构时，现有操纵律存在的问题，如零运动导致框架角速度解过大、鲁棒伪逆操纵律会引入力矩误差等。研究了基于变惯量反作用轮(VIRWs)的航天器姿态控制问题，建立了其操纵方程，并设计了合理分配重块移动速度和转子角加速度的加权操纵律。最后，结合实际工程背景，研究了SGCMGs的精细力矩系统建模和伺服系统控制问题。在考虑了SGCMGs的转子静、动不平衡，转子轴与框架轴不垂直和不重合等干扰因素下，采用欧拉方程分别建立了SGCMGs精细动力学模型、转子精细动力学模型以及带有SGCMGs的刚体航天器动力学模型。采用锁相环技术对高速转子伺服系统进行控制，实现了转子的高精度高稳定度控制。采用自抗扰控制理论设计了框架伺服系统内外环控制器，并通过数值仿真分析了SGCMGs的各种干扰源对航天器姿态控制精度、稳定度以及框架伺服系统控制精度的影响，并确定了主要干扰源。数值仿真验证了以上理论分析与设计方法的正确性和有效性。