王 卓，徐 瑞，李朝玉，朱圣英，陈德相

(1. 北京理工大学宇航学院，北京 100081；2. 深空自主导航与控制工业和信息部重点实验室，北京 100081；3.上海卫星工程研究所，上海 200240)

0 引 言

随着航天技术的发展，需要航天器具有良好的姿态机动能力，而航天器的姿态机动能力在很大程度上取决于姿态执行机构的能力[1]。航天器在完成姿态机动任务时，大多采用推力器作为姿态执行机构。然而，采用推力器进行长周期大角度的姿态机动会消耗大量燃料，在一定程度上限制了航天器的工作能力。零推进剂姿态机动(Zero propellant maneuver, ZPM)技术是一种成功应用于国际空间站的大角度姿态机动技术[2]。ZPM采用控制力矩陀螺代替推力器作为姿态执行机构，这在延长航天器在轨时间，提高航天器安全性方面具有实际意义[3]。

ZPM的概念最早出现于1996年，由美国麻省理工学院德拉普尔实验室的Bedrossian提出[4]。其核心思想是提前规划出满足控制力矩陀螺约束的姿态路径和控制力矩陀螺框架角运动路径，使得航天器在执行多种空间任务时控制力矩陀螺不会陷入奇异或饱和状态，从而不需要消耗额外燃料进行姿态机动或消除控制力矩陀螺的奇异和饱和状态，进而实现航天器的零推进剂姿态机动。

2006年11月5日，NASA首次在国际空间站上采用ZPM技术完成了90°的大角度姿态机动，使用双框架控制力矩陀螺作为姿态执行机构[5]。2007年3月3日，NASA在国际空间站上通过ZPM技术实现180°的大角度姿态机动，和同等机动条件下的推力器相比节省50.76 kg燃料消耗，节约的燃料成本达110万美元[6]。……