混合控制技术(飞轮+控制力矩陀螺)

一、混合控制背景

控制力矩陀螺(CMGs)与动量轮(MWs)都属动量交换装置，是航天器姿控系统采用的主要执行机构。动量轮能产生精确连续但幅值较小的力矩，通常应用于中小型高精度三轴稳定卫星。单框架控制力矩陀螺(SGCMGs)输出力矩大且控制效率高，适用于长寿命大型航天器，但其固有的构型奇异给操纵律设计带来了很大困难。另一类单框架变速控制力矩陀螺(VSCMGs)在仅姿控时没有奇异问题，但由于其结构和控制的复杂性，至今尚未应用于工程实际。鉴于SGCMGs和MWs在技术上都比较成熟，采用两者组成混合执行机构，可以取长补短，发挥各自的优势，共同实现航天器的高性能姿态控制。

二、混合控制研究进展

混合执行机构的概念提出较早。早在1973年就提出采用金字塔构型SGCMGs和三个MWs共同进行大型太空望远镜姿态稳定控制的方案，在不考虑外干扰力矩时，仿真结果很好[1]。其后，文献[2]提出在航天器姿态机动控制中可用SGCMGs进行姿态粗控，MWs进行姿态精确调整的方案，并设计了相应的控制器，取得了很好的效果。对于带有大型运动部件的卫星，文献[错误！未定义书签。]提出利用金字塔构型MWs进行本体姿态控制，而利用1个SGCMG补偿运动部件产生的干扰力矩，也得到了很好的仿真结果。在航天器能量姿态一体化控制中，也提出利用SGCMGs与MWs共同完成这一任务的方案[3,4]。由此可见，针对不同的航天任务，可对SGCMGs和MWs进行合理配置，以实现高性能的姿态控制。

实际上，仅利用SGCMGs进行航天器姿态跟踪时，现存的操纵律都会遇到一些问题：零运动操纵律无法避免显奇异点，且在SGCMGs构型接近奇异时，框架角速度解过大甚至无解；而鲁棒伪逆和广义鲁棒伪逆操纵律旧[5]都会导致力矩误差，使跟踪精度下降。因此可考虑利用SGCMGs和MWs组成的混合执行机构来解决这些问题。文献[6]基于姿态跟踪任务对混合执行机构奇异性进行分析的基础上，利用奇异值分解的方法对指令力矩进行了显示分配，将SGCMGs奇异时沿奇异方向的指令力矩分配给MWs。在对SGCMGs和MWs的指令力矩分配完成后再分别设计各自的操纵律。

虽然VSCMGs结构和控制的复杂性，至今尚未应用于工程实际，但文献[7]在理论上论证了其优越性(研究了使用飞轮和VSCMG的基于动量管理的IPACS问题，设计了使用飞轮和VSCMG角动量执行机构的基于动量管理的IPACS框架，得出基于动最管理的IPACS优于单独的IPACS，在同时完成姿态摔制和能量存储