27、航天器自动控制：转子与辐射扭矩下的姿态控制

航天器自动控制：转子与辐射扭矩下的姿态控制

1. 航天器控制基础与转子控制概述

在航天器控制领域，有一种控制方式是利用最大可能幅度的脉冲在最短时间内实现期望位移，这被称为bang - bang控制。而频繁使用火箭发动机进行姿态控制会快速消耗推进剂，大幅缩短航天器寿命。因此，采用由太阳能电池板驱动的小型转子来施加校正控制扭矩是一种更高效的选择。这些内部产生的扭矩可以在无需人工干预的情况下随时管理航天器的角动量。

航天器的姿态控制转子主要分为两类：
- 相对于航天器轴固定的转子，包括动量轮和反作用轮。
- 相对于航天器轴可变的转子，即控制力矩陀螺（CMG）和可变速度控制力矩陀螺（VSCMG）。

2. 固定轴转子的姿态控制

2.1 基本原理与动力学方程

考虑三个分别绕航天器主轴旋转的转子，其相对于航天器的角动量分别为((h_x, h_y, h_z))，净相对角动量向量为(h = h_x i + h_y j + h_z k)，其中((i, j, k))是航天器的主体坐标系。航天器的总角动量为(H = J\omega + h)，其中(\omega = P i + Q j + R k)是航天器相对于惯性参考系的角速度，((J_x, J_y, J_z))是航天器的主惯性矩。

若航天器受到干扰扭矩(\tau = L i + M j + N k)，则有以下旋转动力学方程：
(\begin{bmatrix}L\M\N\end{bmatrix}=J\begin{bmatrix}\dot{P}\\dot{Q}\\dot{R}\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}P\Q\R\end{bma