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交会对接(RVD)是进行空间组装、空间救援、深空探测等的必要技术,也是我国载人航天第二步战略的关键技术,而建立交会对接仿真系统是深入研究交会对接技术的重要途径。 本文以交会对接仿真系统研制为背景,重点研究了航天器姿态控制律参数设计问题,搭建了具有较好通用性的航天器姿态动力学与控制仿真框架,设计开发了RVD目标飞行器仿真原型系统。全文的工作包括以下几个方面的内容: 1.对航天器姿态动力学模型和姿态控制技术进行了概括和总结。给出了交会对接目标飞行器的单刚体姿态动力学模型和多刚体姿态动力学模型,并描述了相关计算模型。 2.研究了带质量喷射装置和带角动量交换装置两类航天器的姿态控制律设计问题。设计了喷气姿态控制的相平面控制律参数,仿真验证了相平面控制律的实用性,并分析了控制器参数的变化对控制结果的影响;对比分析研究了飞轮PD控制器的参数预估、基于优化算法的参数整定和基于Matlab/Simulink的NCD模块三种设计方法。 3.研究了航天器的姿态机动最优控制问题。针对连续力矩和开关控制力矩两种已有的控制器模型,采用模拟退火算法,实现了连续力矩的时间最优参数优化和开关控制力矩开关次数最少的消振参数优化,在不增加控制律设计任务的前提下得到了具有实际意义的控制器。 4.利用面向对象技术建立了一个航天器姿态动力学与控制仿真框架。分析了航天器姿态动力学与控制仿真的通用性需求,给出了仿真框架的对象结构图,设计了通用仿真类库,建立了框架的对象模型、动态模型和功能模型。 5.在航天器姿态动力学与控制仿真框架基础上研制了RVD目标飞行器仿真的原型系统。利用原型系统完成了目标飞行器的六自由度仿真,并实现了目标飞行器对地定向姿态稳定控制和姿态机动控制的仿真任务研究。 本文的工作是我国交会对接地面仿真系统的一个重要组成部分,同时相关研究对其它类型航天器姿态动力学和控制研究具有一定的借鉴价值。