宇航学报 | 北理工深空探测团队:航天器姿态机动规划技术研究进展
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什么是姿态机动规划？
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徐瑞, 朱哲, 李朝玉, 范宇麒, 朱圣英, 尚海滨. 航天器姿态机动规划技术研究进展. 宇航学报, 2023, 44(2): 155-167.
XU Rui, ZHU Zhe, LI Zhaoyu, FAN Yuqi, ZHU Shengying, SHANG Haibin. Research Progress of Spacecraft Attitude Maneuver Planning Technology. Journal of Astronautics, 2023, 44(2): 155-167.
研究概述
01研究背景和目的
姿态机动规划是指航天器在轨运行过程，对空间上的姿态路径、角速度、控制力矩等参数进行综合规划求解，生成满足多种约束的姿态机动路径的过程。姿态机动规划是实现复杂约束下航天器姿态自主控制的关键技术之一。
在航天器自主姿态控制系统中，姿态敏感器获取航天器的姿态和角速度测量数据，反馈给姿态规划与控制模块。姿态规划与控制模块根据输入的初始姿态、目标姿态和系统约束，通过约束处理和姿态空间搜索，生成满足一定优化目标的姿态机动路径，并以控制指令形式传递给姿态跟踪控制模块，进一步由执行机构按照规划的路径执行姿态机动。传统的姿态控制方法难以实现复杂约束下的姿态机动。加入姿态机动规划的自主姿态控制系统，可以综合考虑指向约束、动力学约束、有界约束等复杂约束，以能量消耗、机动时间等作为优化指标，通过设计姿态机动规划方法，生成满足一定优化指标和全部约束的姿态机动路径，从而实现复杂约束下的姿态自主控制。
本研究以航天器多约束姿态控制为背景，对航天器姿态机动规划技术发展历程及研究现状进行了调研和综述，并基于约束处理策略，对姿态机动规划方法进行了分类和关键技术总结；最后根据未来航天任务中的姿态机动需求，梳理了姿态机动规划技术的若干发展趋势。
02研究方法
本研究分别从姿态规划问题建模、机动路径求解、路径优化等不同角度，对航天器姿态规划问题进行了深入调研分析。然后从姿态机动规划中所用约束处理方法入手，将航天器姿态机动规划技术分为四大类，即约束评价规避方法、约束简化松弛方法、约束几何规避方法、约束解析满足方法，并分析了四类姿态规划方法的共同特征，给出了各种方法在计算效率、约束处理效果和指标优化性等方面的不同及局限性。
进一步分析了未来航天任务中姿态机动规划技术的发展趋势，即由单一航天器向多航天器协同姿态机动规划发展、向考虑挠性部件的姿态机动规划发展、向含多可动部件的多自由度姿态机动规划发展、由单执行机构向多执行机构组合姿态机动规划发展，为后续深入开展航天器自主姿态规划与控制提供参考。
图1航天器姿态规划方法
北京理工大学的徐瑞、朱哲、李朝玉等以《航天器姿态机动规划技术研究进展》为题，将该项成果发表于《宇航学报》2023年第2期。
前景与应用
航天器姿态机动规划技术能够减少航天器姿控系统对复杂姿态控制方法的依赖，丰富并增强复杂姿态机动任务场景下的机动执行能力，使航天器具备自主姿态控制和运行能力。
本文综合了姿态机动规划技术四类方法的关键技术、发展脉络以及未来航天任务需求，给出了姿态机动规划技术的四项未来发展趋势，可为复杂约束下小行星探测、太阳系边际探测等深空任务中姿态机动、大型航天器的姿态机动等应用和技术发展提供技术支撑。
研究团队
01团队介绍
北京理工大学深空探测技术研究所长期从事航天器自主任务规划、深空环境自主导航、深空有控轨道设计、行星着陆轨迹规划与制导等方面研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重大、科技部“973”、“863”重大和重点、民用航天、基础科研等研究项目，相关研究成果为月球探测工程、火星和小行星探测等重大工程提供了关键技术支撑。获国家科技进步二等奖1项，省部级奖7项。发表学术论文300余篇，授权国家发明专利100余项。
以下作者单位均为北京理工大学。
徐瑞教授/博士生导师
“深空自主导航与控制”工信部重点实验室副主任，中国宇航学会深空探测技术专业委员会副主任委员。主要从事航天器自主任务规划、自主导航与控制方面的研究。曾获国家科学技术进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项等多项荣誉。
E-mail：xurui@bit.edu.cn
朱哲博士研究生
主要从事深空探测姿态规划技术领域的研究工作。
E-mail：zhez@bit.edu.cn
李朝玉助理教授
主要从事航天器智能规划领域的研究工作。
E-mail：lzyzhaoyu@163.com
02课题组在研/完成项目中华人民共和国科学技术部，国家重点研发计划课题：深空大尺度分布式系统天地协同管控技术研究，2020-12至2025-11.
作者：徐 瑞
责任编辑：路 瑶
审核：郭筱曦
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《宇航学报》 2023 年第 2 期上线
来源：宇航学报编辑部
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