中国空间科学技术 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5): 121-131.doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0080
雷拥军1,2,刘洁1,2,袁利2,3,*
LEI Yongjun1,2,LIU Jie1,2,YUAN Li2,3,*
摘要: 由于反作用轮输出能力受限,航天器姿态机动中易出现其力矩饱和与角动量饱和而影响机动能力。针对该问题,对冗余轮系航天器姿态重定向机动中的力矩分配及角动量管理方法进行了研究。首先,根据航天器惯量参数和指定姿态机动方向,确定出沿机动欧拉轴旋转时轮系角动量到达其包络处的合成角动量,以及各反作用轮在包络处角动量与到达包络时其角动量的变化量,并由轮系合成角动量达到包络面的可变范围确定出沿机动方向的星体可达最大角速度;其次,设计了机动过程中反作用轮与其角动量变化量成正比例关系的理想角动量变化率,该变化率的L∞-范数应满足力矩约束条件,由此确定出该姿态机动可达最大力矩;然后,构建了反作用轮角动量实际变化率与其理想变化率偏差的二次函数,通过极小化该函数获取了一种反作用轮跟踪角动量理想变化率的力矩分配律,实现轮系角动量可达其包络;最后,开展与L2和L∞力矩分配方法的姿态机动数学仿真对比验证,结果表明在相同姿态机动力矩需求下所提出方法有效地避免了反作用轮力矩饱和与角动量饱和问题。基于给出的角动量包络可达的星体姿态机动最大角速度、最大角加速度选取方式,并结合面向角动量包络的轮系力矩分配律,星体可自主地以最大能力实现任意方向姿态机动,从而有效地提升了航天器姿态机动的敏捷性与自主性。