● 摘要
多轴指向系统是星上有效载荷常见的多体结构形式，如天线、扫描镜、扫描相机等。传统的多轴指向系统利用关节电机驱动，关节处的作用力矩与反作用力矩使得有效载荷和星体之间动力学耦合显著，因而星体的姿态控制和有效载荷的指向控制非常困难。为解决这一问题，本论文研究了一种无反作用力矩多轴指向系统的设计概念及其动力学与控制问题。
无反作用力矩多轴指向系统是指多轴指向系统与星体间采用自由关节连接，在多轴指向系统上安装控制力矩陀作为执行机构，从而消除关节处的力矩/反作用力矩，降低系统的动力学耦合。论文首先利用Kane方程对系统进行了动力学建模，并以多轴指向系统视线跟踪低轨道航天器为例，推导了指向系统的跟踪规律。在此基础上，利用滑模控制方法设计了系统的控制律，使星体实现三轴姿态稳定控制，并同时使指向系统跟踪目标。为验证所研究的系统的优越性，论文还对无反作用力矩多轴指向系统与传统的关节力矩驱动指向系统在动力学耦合程度和控制能耗方面进行了对比研究。
研究结果表明，无反作用力矩驱动方案相对于关节电机驱动方案能够显著降低载荷与本体的动力学耦合，从而有效提高系统的控制精度；在相同的控制任务下，无反作用力矩驱动方案相对于关节电机驱动方案还能够有效地降低控制能耗。