基于一种改进高斯伪谱方法的航天器太阳帆板展开过程
作者单位：北京信息科技大学机电工程学院 北京信息科技大学理学院
会议名称：《第九届全国多体系统动力学暨第四届全国航天动力学与控制学术会议》
会议日期：2015年
学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术]
摘 要：论文针对航天器太阳帆板展开姿态控制过程中存在非完整约束导致的系统控制及规划难度较高的问题,采用一种改进的高斯伪谱法求解最优控制的数值计算问题。该方法综合考虑到实际工程应用中存在控制受限,状态受限以及航天器姿态初始和终端状态受限等约束条件,将姿态控制问题看作满足上述一系列约束条件和边界条件,同时实现某一性能指标函数最优的最优控制问题。文章利用多体动力学知识,建立太阳帆板展开过程的动力学方程。采用能量最小原则,建立性能指标函数。考虑实际工程应用,建立边界约束和路径约束,利用LG点构造拉格朗日插值多项式来逼近系统状态变量和控制变量,对于性能指标中的积分项由高斯积分计算,终端状态约束进行离散后转化为一组非线性约束。本文通过提出终端状态约束的另一种等价的线性表达式对普通高斯伪谱法进行改进。改进高斯伪谱法与普通高斯伪谱法的区别在于终端状态约束方程形式不同,普通高斯伪谱法离散后终端状态约束属于非线性约束。文中采用的离散后终端状态约束为线性约束,相当于把n个非线性约束条件转化为了n个线性约束条件。继而进一步求解,获得姿态运动优化轨线及控制规律。航天器太阳帆板伸展过程的姿态控制是非线性控制问题,在系统角动量为零的情况下,带太阳帆板航天器系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。本文采用高斯伪谱方法求解姿态规划问题,该方法的优点是对初值的选择不敏感。针对太阳帆板展开过程,本文针对本体姿态初始和终端状态不变和改变两种状态进行仿真。仿真结果表面,采用本文所述方法求得的运动规划最优控制输入的初值和终值均为零,移动基的坐标位置及方位角都能达到指定目标位形,符合预期目标。这为姿态控制问题的求解提供了一种可靠的方法。