微小航天器广泛应用于对地观测、低轨导航、星座通讯和深空探测等领域，具有质量轻、体积小、成本低、开发快、易于技术更新、快速灵活、机动性好等优势，是当前空间技术发展的热点和主要趋势，对系统多功能集成的需求日益迫切。本课题来源于国家自然科学基金重大科研仪器设备研制专项，以国家战略需求为牵引，以空间任务为主题，旨在通过支撑、驱动和控制一个旋转角动量体，在完成多自由度动量交换的基础上实现两轴姿态角速度测量，研制出一种适合于微小航天器姿态控制应用的多功能、高集成度、轻质量、低功耗、低成本的测量与执行系统。所研制系统能够有效地提高姿态测量与控制系统的集成度和效率，在微小航天器领域具有广阔的应用前景，也可以作为微小航天器的姿态控制冗余单元。 通过对理论方法和关键技术的深入探索研究，本课题解决了多自由度动量交换条件下姿态测量中的关键科学问题，攻克了多项关键技术，验证了多自由度动量交换条件下姿态测量技术实现方案，为微小型航天器研制提供了新的技术途径。取得的主要成果包括： （1）分析了微小航天器姿态测量的动量指向和幅值变化条件下的系统动力学特性、不理想因素及控制特性，探究了非调谐状态下姿态角速度的力反馈测量原理，提出了倾侧运动保持和变化条件下的非线性姿态测量、执行器和敏感器功能分时复用的姿态角速度测量方法，以及完整的非调谐状态下陀螺漂移误差地面综合测试标定与补偿方法。 （2）解决了多约束条件下挠性支撑结构优化设计与复合传动、飞轮体低纹波驱动和高精度调速控制、大力矩低功耗飞轮倾侧驱动与高精度高动态倾侧控制、基于静偶不平衡分离的飞轮转子高精度动平衡和基于自适应搜索与前馈补偿的主动振动控制等关键技术。 （3）完成了两轮共4套样机的研制与测试，技术指标均达到或优于各项预定指标。样机完全达到技术成熟度四级状态，部分达到五级状态，为所研制系统成为航天成熟产品奠定了良好的基础。 （4）通过本课题的研究，受理或授权国家发明专利20余项，发表论文60余篇，培养博士生10名，硕士生32名，形成了一支从事航天器姿态测量和控制实现技术研究的稳定研究团队。 作为探索性研究，本课题验证了基于多自由度动量交换的微小航天器姿态测量系统原理的正确性和技术路线的可行性，能够满足我国目前航天事业发展的重大需求，可填补国内微小航天器姿态测量与控制实现技术领域的部分空白，缩小与国际先进水平的差距。经国家自然科学基金委员会评议，本课题全面完成计划，研究工作取得突出进展和结果。

哈尔滨工业大学

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