科研动态 | 飞行器动力学与控制团队在柔性航天器姿态控制领域研究取得进展

研究背景与意义

        随着人类对太空持续开发利用，空间碎片的数量在持续增加，严重威胁着巨型卫星星座、空间站等在轨航天器的安全运行。为了清除小型空间碎片，NASA创新先进概念项目提出了薄膜航天器(Brane Craft)的概念，用超轻质量、超低成本的方式接近、包裹和清除空间碎片。薄膜航天器是一种不含任何支撑结构的二维航天器，其太阳能电池、传感器、控制执行器、计算机等都嵌入到基底薄膜中，具有质量轻、成本低、速度增量大、避免刚性碰撞风险等突出优势。与当前柔性航天器不同的是，薄膜航天器没有任何支撑结构，推力器直接配置在柔性结构上，轨道和姿态控制的推力可能引起大幅结构变形，结构变形又反过来影响轨道和姿态控制精度，呈现出独特的轨道-姿态-结构耦合效应，给控制系统的设计带来了巨大挑战。

研究成果

        针对这类大柔性薄膜航天器在姿态控制过程中面临的结构大变形和姿态-结构耦合问题，中山大学飞行器动力学与控制团队成员提出了一种薄膜航天器的伪闭环姿态控制方法，以“Pseudo-closed-loop method for attitude control of ultra-flexible brane craft using electric thrusters”为题，在航空航天领域著名期刊《Aerospace Science and Technology》发表学术论文，航空航天学院硕士生吴雨亭为第一作者，李庆军副教授为通讯作者，合作作者还包括博士生罗嘉锐、陈曦老师以及西北工业大学王博副教授。该项研究获得国家自然科学基金项目及广东省基础与应用基础研究基金项目的资助。

研究方法与结论

        在论文的研究中，首先设计了开环控制器和闭环控制器进行薄膜航天器的姿态控制。但开环控制器由于缺乏反馈且结构变形较大出现了较大姿态误差。闭环控制器由前馈控制和比例-微分反馈控制环节组成，但动力学仿真发现仅靠调整反馈增益并未能达到预期的控制精度。闭环控制器的反馈信号不仅包含姿态信息，还包含结构振动和波动的信号，这些信号经过反馈回路引起推力快速变化，进一步引起高频结构振动和结构变形，形成控制-结构耦合效应。在这种情况下，如果采用较高的反馈增益，控制系统对高频结构振动过于敏感，导致执行器饱和的问题；如果采用低反馈增益，姿态误差会以较大幅值时间振动、难以收敛到预期结果。

        针对上述问题，研究团队提出了一种伪闭环控制方法。该方法包含多个开环控制阶段和多个测量阶段：在开环控制阶段不进行姿态测量；在测量阶段不进行姿态控制，采用最小二乘法获得姿态运动状态，根据测量结果设计下一个开环控制阶段的控制参数以消除这些误差，从而在迭代域形成闭环。这种控制方法与传统的闭环控制的主要区别在于，测量阶段和控制阶段并非同时进行，从而避免将结构振动信号反馈至姿态控制系统、引起薄膜的大幅变形和高频振动。

        仿真结果表明，在不同的柔性条件下，薄膜航天器的伪闭环控制比闭环控制和开环控制的控制精度提高了1~2个数量级。即使在结构变形达到结构尺寸27 %的大变形条件下，伪闭环控制也能实现误差小于0.5 deg的高精度姿态控制。

作者介绍

	李庆军，中山大学航空航天学院副教授，博士生导师，长期从事航天器动力学与控制、航天器空间组装、多体系统动力学建模与数值求解、高性能计算与仿真软件开发等领域的研究。 E-mail: liqingjun@mail.sysu.edu.cn
	吴雨亭，中山大学航空航天学院硕士毕业生，主要从事薄膜航天器动力学建模与控制等方面的研究，获得优秀毕业生称号。 E-mail: wuyt65@mail2.sysu.edu.cn
	罗嘉锐，中山大学航空航天学院博士研究生，主要从事薄膜航天器动力学建模与控制等方面的研究。 E-mail: luojr8@mail2.sysu.edu.cn

引用格式

Wu Yuting, Luo Jiarui, Li Qingjun, Chen Xi, Wang Bo. Pseudo-closed-loop Method for Attitude Control of Ultra-flexible Brane Craft Using Electric Thrusters[J]. Aerospace Science and Technology, 2026, 176: 112178.

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963826005584

供稿 | 吴雨亭

排版 | 黄卓毅

初审 | 李庆军 张怀钦

审核 | 张锦绣 赵晓江

审定发布 | 罗愈业