● 摘要
航天器姿态控制系统的正常运行，是航天器顺利完成各种飞行任务的根本保证。欠驱动航天器是指航天器姿态控制系统的执行机构由于故障或其它原因，只能输出两维甚至更少维的控制力矩。不同于常规航天器，欠驱动航天器的姿态控制问题更复杂、难度更大，是一个尚未解决的新问题。使用欠驱动航天器的姿态控制策略，也可降低航天器姿态控制分系统的成本、提高其可靠性。同时，研究欠驱动航天器这类具有特殊结构的本质非线性系统，可以为探索一般非线性系统的研究提供有益的借鉴。因此，开展欠驱动航天器姿态控制系统的分析与设计方法的研究，具有重要的理论意义和工程实际意义。 本文研究欠驱动航天器姿态控制系统的分析与设计问题。首先讨论了完整驱动航天器姿态控制系统设计问题，建立了详细的刚体姿态动力学模型，包括运动学方程、动力学方程以及环境干扰力矩模型等，设计了三种不同的控制器，即PID三轴稳定控制器、变结构拟PD姿态机动控制器和喷气姿态机动的相平面控制器，分别完成姿态稳定和姿态机动。然后研究了欠驱动航天器的姿态控制系统设计问题，在假设了航天器仅有两维控制输入的前提下，设计了两类欠驱动控制器：分段解耦控制器和Brockett双积分系统控制器。对于前者，通过分段调整两个控制输入，经过５次姿态机动，可实现欠驱动航天器相对惯性空间的三轴稳定；对于后者，在假设系统总动量矩为零的前提下，对其进行建模，可将系统转化为标准的Brockett双积分系统，然后利用Lyapunov直接法和 变换方法，分别设计了非线性控制器。 最后通过数值仿真，验证了所设计控制器的有效性。