引用格式
张洪华,关轶峰,李骥,等.嫦娥六号环月飞行双环容错姿态控制[J].中国空间科学技术,2024,44(5):15-22.
ZHANG H H,GUAN Y F,LI J,et al.A dual-loop fault tolerant attitude control for the Chang′e-6 lunar orbit flight[J].Chinese Space Science and Technology,2024,44(5):15-22（in Chinese）.
一、文章导读
1.研究背景
嫦娥六号任务首次获取了月球背面南极艾特肯盆地月球样品，科学家们将开展月壤特性分析等持续性科学研究，为后续进行月球资源开发利用奠定基础。
嫦娥六号着上组合体，在着陆前的环月飞行阶段，将进行导航敏感器的标定等工作，期间要求组合体具有一定的姿态机动能力和姿态稳态控制能力。
一般情况下，月球探测器会根据其所要完成的任务需求，来进行姿控发动机配置，不同的配置会带来不同的姿控策略。对于具有简单月球探测任务的探测器，典型的配置为12个姿控发动机。如美国游隼（Peregrine）着陆器配置了12×45N姿控发动机，俄罗斯月球25（Luna-25）着陆器配置了4×49N和8×5.9N姿控发动机，日本SLIM着陆器配置了12×22N姿控发动机。对于具有多舱构型的探测器，不同舱段会配置不同的姿控发动机。美国Apollo登月舱和上升舱，分别在各自舱段外围安装了4簇姿控发动机，每一簇包含4个姿控发动机。美国重返月球Altair探测器也具有类似的姿控发动机配置。
嫦娥六号上升器配置了12×10N和8×120N发动机，上升器巡航期间采用12×10N发动机双分支力偶工作方式；着上组合体环月飞行阶段，120N发动机不可用。嫦娥六号着陆器，腰部配置了8×150N发动机用于滚动轴姿控和平移；底部配置了8×150N发动机用于俯仰轴和偏航轴的姿控，类似于嫦娥三号着陆器、嫦娥五号着陆器；组合体环月飞行阶段，腰部8×150N发动机不可用。嫦娥六号着上组合体环月飞行阶段，可以使用的姿控发动机包括上升器的12×10N发动机和着陆器底部的8×150N发动机。
针对前述美国游隼着陆器、俄罗斯月球25着陆器等姿控发动机布局，指定双分支工作时，单台发动机常关故障，并不会影响姿控系统的稳定。但是，这种策略并不适用于嫦娥六号着上组合体。组合体环月飞行阶段，若使用常规的10N发动机双分支进行姿控，有种情况是：某台10N常关故障时，姿控会形成正反馈，姿态角和角速度发散。若故障发生处于非测控区域，地面无法及时判断和干预，将危害探测器的安全。因此，有必要提高探测器自主故障诊断和处理的能力，判断10N故障后，及时引入150N发动机进行姿控，并保证姿态稳定。基于嫦娥六号着上组合体特殊的姿控发动机配置布局方式，设计可靠的姿控控制策略是保证嫦娥六号完成环月任务的关键，对此本文设计了环月飞行段双环容错姿态控制策略。
2.文章梗概
嫦娥六号着陆器和上升器组合体（着上组合体）环月飞行阶段，利用安装于上升器的10N发动机（可形成力偶控制方式）和安装于着陆器的150N发动机进行姿态控制。根据发动机安装布局，当力偶控制方式下某10N发动机常关故障、其配对使用的10N发动机正常工作时，推进系统将产生与期望相反的控制力矩，导致姿态发散。为了保证在10N发动机故障情况下着上组合体姿态稳定，给出了双环容错姿态控制策略，包括10N发动机内环控制和150N发动机外环控制。数学仿真结果表明，着上组合体环月飞行阶段双环容错姿态控制下，10N发动机故障后，着上组合体姿态可以稳定在给定范围内。针对配置力偶姿控发动机和冗余发动机的探测器，采用双环容错姿态控制策略，可以有效应对力偶姿控发动机故障影响，保证探测器姿态稳定。
3.总结与展望
嫦娥六号着上组合体环月飞行阶段，要求控制系统具有一定的姿态机动和稳态控制能力，为组合体动力下降做好前期准备。由于姿控发动机配置布局特殊，控制系统设计了双环容错姿态控制。数学仿真结果表明，该策略在保证正常环月任务顺利执行的同时，还可以保证10N发动机故障情况下姿态控制稳定，系统具有较好的容错性。该控制策略可以推广至未来具有类似多器组合特性的深空探测任务中。
二、作者简介
张洪华，北京控制工程研究所研究员，研究方向为月球探测器制导、导航与控制技术。
关轶峰，北京控制工程研究所研究员，研究方向为航天器控制理论与控制工程。
点击文末“阅读原文”
登录官网下载原文
来源：《中国空间科学技术（中英文）》2024年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
往期推荐
1
2
3
地月空间基础设施专题｜月面通信导航基础设施总体架构与关键技术研究
4
5
