题目：空间站组合体姿态控制/动量管理研究

本文研究空间站典型任务阶段的姿态控制/动量管理(Attitude Control/Momentum Management，ACMM)问题，目的是为我国正在开展的空间站项目提供理论与技术参考。首先，针对空间站组合体长期正常在轨飞行和舱段转移任务，建立了系统的数学模型。在此基础上通过合理假设，分别得到了在体坐标系和惯性系下描述的适合姿态控制系统设计的简化模型。然后，针对长期对轨道系定向飞行的空间站角动量管理问题，将体坐标系下描述的系统模型进一步简化为系数矩阵与状态相关的线性结构。分析了考虑和不考虑大气扰动力矩两种情况下力矩平衡姿态(Torque Equilibrium Attitude，TEA)和控制力矩陀螺(Control Moment Gyro，CMG)角动量的相互关系。考虑气动力矩影响时，又分析了几种典型惯量分布下TEA和CMG角动量稳态值。设计了基于状态相关黎卡提方程(State-dependent Riccati Equation，SDRE)的二次型最优控制器。首先，在原系统状态方程中引入滤波方程对一倍、二倍轨道频率的扰动进行滤波；其次，将系统无量纲化提高计算精度并降低权重矩阵的选取难度；然后对系统进行极点配置，提高其稳定度；最后用θ-D方法对SDRE进行近似求解。分析了轨道系ACMM任务对空间站转动惯量的约束条件；对比了零姿态定向飞行和TEA定向飞行对CMG角动量的需求。接着，对舱段转移任务模式，提出对系统狭义TEA进行跟踪的控制策略来避免转移过程中CMG饱和。为充分利用狭义TEA的特点同时保留原系统的非线性，在轨道系下建立构型变化时ACMM系统的设计模型。在此上基础上设计自适应反馈线性化控制器，该控制器由在线辨识回路和反馈线性化回路构成。在线辨识回路利用闭环控制信息对空间站惯量特性进行辨识，对反馈线性化单元需要的系统信息进行更新；为避免CMG角动量积累，反馈线性化回路将整星角动量作为输出变量，通过输出变换以及状态变换，将原ACMM系统精确等价为一个线性系统，通过对线性控制器的设计得到适用于原系统的非线性控制律。此外，还研究了轨道系下狭义TEA的特点以及以上非线性控制律的奇异性问题。最后，针对空间站的惯性定向飞行任务，建立惯性系下ACMM系统的线性模型，并在此基础设计了LQR角动量反馈控制器。分析了惯性系下平衡姿态和CMG角动量的相互关系，提出了惯性系ACMM任务对CMG角动量以及空间站转动惯量的约束条件。 数值仿真验证了各部分理论分析的正确性以及控制器设计的有效性。