改进势函数法在约束航天器姿态控制中的应用

"该论文是2013年发表于《清华大学学报(自然科学版)》的一篇关于航天器姿态控制的研究，作者为张景瑞、罗杨和张尧。研究主要关注在存在外部约束条件下的航天器自主姿态机动控制，特别是解决当目标姿态与禁止姿态区域接近时，常规势函数方法可能失效的问题。" 文章详细内容: 在航天器的姿态控制领域，尤其是在执行机动任务时，外部约束条件如地球引力、空间碎片或其他航天器的存在，会限制航天器可以采取的姿态范围。常规的势函数法在处理这类问题时，由于排斥势函数的影响，可能导致航天器无法准确地稳定到达预设的目标姿态。为了解决这一挑战，论文提出了一个改进的势函数方法。 首先，文章利用四元数来表示航天器的期望姿态和禁止姿态，通过欧拉旋转角描述不同姿态之间的距离。四元数是一种数学工具，能够简洁且无歧义地描述三维空间中的旋转，特别适合用于航天器姿态的表示。 接着，作者针对常规势函数法在目标姿态与禁止区域接近时可能出现的问题，提出在排斥势函数中引入误差姿态四元数。这种新的势函数设计使得航天器在遵循外部约束的同时，能更有效地导向目标姿态，避免了传统方法中可能遇到的控制困难。 通过数值仿真，论文展示了改进后的势函数方法在实际应用中的有效性。数值仿真是科学研究中常用的一种验证理论模型的方法，它能够模拟真实环境，检验控制策略在各种条件下的表现。 这篇论文的贡献在于提供了一个创新的控制策略，提高了航天器在有约束条件下的姿态机动能力，对于航天工程实践具有重要的指导价值。同时，它也扩展了势函数法的应用范围，为未来相关领域的研究提供了新的思路和技术支持。 关键词涉及的主要概念包括势函数、约束条件、姿态控制，以及四元数在航天器姿态表示中的应用。文章的中图分类号V488.22属于天文学与天体物理学类别，文献标志码A表明这是一篇原创性的学术研究论文。