星上控制力矩陀螺的高频抖动减振研究

研究卫星姿态控制执行机构的隔振问题。首先介绍了隔振器原理及其参数选择依据,重点建立了含有隔振平台的整星动力学模型,并使用金字塔构型的CMGs作为执行机构。通过使用Adams工程软件验证了所建立的隔振平台动力学模型的正确性,最后通过整体仿真,验证了隔振装置对星体姿态稳定度的改善作用,为CMGs的隔振系统工程化设计提供理论支持。     

空间相机隔振与姿态控制一体化设计

为了解决星上微振动导致高分辨率遥感卫星图像质量下降的问题,研究了空间相机隔振措施及其带来的异位控制问题,提出了同时采取相机隔振与控制规律修改措施的一体化设计方法,实现了隔振性能与姿态控制性能兼备的系统方案。对算例的研究结果表明,采用相机隔振-姿态控制一体化设计方法可以在保证姿态控制性能的同时大幅降低曝光时间内空间相机的视线抖动量。     

某无人机光电平台隔振设计及试验分析

机载光电平台的稳定性和跟踪精度受振动扰动的影响十分敏感,为了提高平台任务载荷的成像品质,需要通过合理的隔振设计对光电平台的振动环境加以改善。文章以某无人机吊舱平台为背景,结合被动隔振理论及被动隔振系统的动力学模型,给出光电平台隔振设计的技术思想及具体的隔振方案,并通过振动试验对隔振设计的效果进行了检验。试验结果表明,隔振系统内部测点的加速度均方根与外部测点的相比减小了60%,说明了隔振设计的减振效力,进而验证了隔振方案的合理性,为更深入的机载隔振系统设计提供了参考依据。     

整星主动隔振平台研究

整星隔振是降低作用于卫星的振动载荷的有效方法。在被动隔振的基础上施加主动控制可以提高隔振系统性能，实现全频带隔振。首先介绍了整星隔振技术的发展现状，并根据运载火箭的特殊环境要求确定了整星主动隔振平台方案。然后本文对隔振平台的各种控制方法进行了对比，对平台的冗余和重构问题进行了分析。实验结果表明，与被动隔振相比主动隔振平台有更好的低频隔振性能。     

Stewart平台动力学建模及鲁棒主动隔振控制

未来复杂航天器低频模态密集,其敏感载荷要求很高的指向精度和稳定度,只对航天器本体姿态控制很难满足要求.本文采用Stewart超静平台对敏感载荷进行6自由度主动隔振,建立了非线性动力学模型,并根据线性模型设计了多变量鲁棒控制器,采用DK迭代算法求解.频域分析可得Stewart平台对3～800Hz的扰动主动隔振大于25dB,仿真证明Stewart平台对10Hz谐波扰动隔振性能优于40dB,对白噪声随机扰动隔振性能优于30dB,有效抑制了微小扰动,起到了6自由度超静隔振平台作用.     

大载荷主动隔振平台技术综述及其

文章从智能材料的特性、作动器的设计及配置方案,控制建模、控制算法、控制器设计等控制技术,隔振方法、承力方案、连接结构等结构设计技术等几方面对大载荷主动隔振平台技术进行了综述,对国内外近几年在大载荷隔振平台研究开发中智能材料的应用、控制技术及结构设计等方面的研究进展做了较全面的总结与阐述,并在此基础上提出了隔振致稳控制平台承载能力、隔振致稳控制平台精度的评定方法。     

星箭界面整星隔振设计及减振效果验证

星箭界面减振设计对改善卫星发射时的动力学环境具有重要意义。文章设计串联式磁流变阻尼隔振平台和并联式黏滞阻尼隔振平台,并对这2种隔振平台基于某中型卫星模型开展整星系统级隔振性能的工程试验研究,通过减振特性对比分析评估它们的减振效果。结果显示:串联式磁流变阻尼隔振平台3方向减振效果均较好,质量控制满足设计要求,但会改变系统固有频率;并联式黏滞阻尼隔振平台对系统结构质量和固有频率的影响均较小,x向减振效果较好,但y向、z向减振效果不理想,须进一步优化系统参数。研究结果可为整星隔振的实际工程应用提供依据。     

基于鲁棒动态逆的高超声速滑翔飞行器动态面姿态控制

针对高超声速滑翔飞行器参数变化快、不确定性高、通道耦合强的特点,研究了一种姿态控制的非线性设计方法。根据无动力飞行姿态运动模型,建立了可面向姿态控制的非线性设计模型。提出了一种具有鲁棒性能的动态逆控制方案,并通过动态面控制方法,将其应用于滑翔飞行器的姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的控制方案,所提出的方案可以保证滑翔飞行器快速、精确地跟踪指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

高超声速飞行器非线性自适应姿态控制

分析了影响高超声速飞行器姿态运动的关键要素和不确定性,提出了包括动压关联输出变换、非线性黄金分割自适应控制律Ⅲ、积分器以及可选择的前馈控制在内的一种高超声速飞行器姿态控制新方案,解决了飞行过程中气动动压快速变化对姿态控制系统稳定性和控制精度影响的问题,提高了系统对关键参数不确定性如气动参数偏差、气动阻尼系数偏差、大气密度偏差、惯量偏差以及初始条件偏差的鲁棒性和适应性;所提方案用于高超声速飞行器再入过程高度、速度快速变化导致动压急剧变化的下压段的姿态控制系统设计中。仿真结果表明,在标称和多种偏差组合条件下,性能指标满足要求,控制量满足约束条件。     

平台-捷联冗余姿控系统设计

从系统冗余的角度研究了提高运载火箭姿态控制系统可靠性的途径 ,介绍了平台 -捷联主、从式冗余姿态控制系统的组成和工作原理及故障诊断、切换和重构的模式。对平台 -捷联冗余方案进行了半实物仿真试验 ,试验中用典型致命性故障模式分别在几个特征秒和不同通道加入系统 ,记录和观察飞行过程中姿态控制系统对故障的适应能力和响应特性 ,同时研究了故障诊断阈值等对系统的影响。仿真试验证明 ,冗余方案正确、可行 ,在主、从系统出现一度故障的情况下 ,系统控制软件能正确诊断出故障 ,并且把故障部分切除 ,使系统处于稳定飞行状态     

Parameters design of vibration isolation platform for control moment gyroscopes

Vibration isolation is a direct and effective approach to improve the ultra-precise pointing capability of a high resolution remote sensing satellite. In this paper, a passive multi-strut vibration isolation platform for the control moment gyroscopes in a pyramid configuration on a satellite is adopted and the parameter design of this platform is discussed. The first step constructs a whole satellite dynamic model including the control moment gyroscopes and the vibration isolation platform with Newton–Euler method, while the analytical control moment gyroscopes disturbance model is derived. The transmissibility matrix of the vibration isolation platform is then obtained, and the frequency domain characteristics of the platform are described, with its influence on the attitude control system analyzed. The third part presents the parameter design method of the vibration isolation platform based on the frequency domain characteristics mentioned above. The stiffness and damping coefficients of this platform are subsequently selected with the above mentioned method. Finally, using these parameters, the performance of the vibration isolation platform on the satellite is testified by integrated simulations. The study shows that parameters of this platform selected based on this method not only satisfy the requirement of vibration isolation but also guarantee that the closed-loop attitude control system remains sufficiently stable.     

An improved installation for control moment gyros and its applications on reconfiguration and singular escape

A cluster of control moment gyros (CMGs) is widely used as the actuator of attitude control for modern satellite. However, to use CMGs will induce some accessional problems, like the singularity and the failure of them. In this paper, a rotator for the support bracket of each control moment gyro (CMG) is adopted and its application on reconfiguration and singular escape is discussed. The first step puts forward a novel reconfiguration scheme for the CMGs and applied on a satellite, which can adjust the installation angles of the remaining CMGs and make the CMGs remain axial symmetry. Then the characteristic of the output torque is studied in the process of reconfiguration of the CMGs. Based on this characteristic, a special steering law of the CMGs is designed to counteract the disturbance from the reconfiguration. The feasibility of singularity avoidance via the reconfiguration is also discussed by calculating the derivative of the singularity measurement to the installation angle. A singularity avoidance steering law is proposed based on the above calculation.     

柔性航天器姿控执行机构微振动集中隔离与分散隔离对比研究

姿控执行机构高速旋转诱发的微振动会降低柔性航天器姿态稳定度。为实现高稳指向,文章研究了姿控执行机构的集中隔振与分散隔振技术。首先建立包含隔振器的柔性航天器姿态动力学模型;然后仿真研究航天器在作大角度机动和稳定控制两种工况下,姿控执行机构的两种隔振方案的性能,并进行了对比分析。研究结果表明:航天器进行大角度机动时,对于高刚度隔振器,两种隔振均具有稳定性,并且指向控制性能相似;对于低刚度隔振器,集中隔振较分散隔振容易失稳;在稳定控制工况下,对于高刚度隔振器和低刚度隔振器,两种隔振性能基本一致。     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

关于磁强计与磁力矩器分时工作方案的研究

鉴于磁力矩器与磁强计同时工作会对磁强计地磁测量精度产生很大影响,本文提出一个磁强计与磁力矩器分时工作的方案,然后比较了卫星姿控系统采用不分时/分时两种方案的差异,最后研究了不同分时比例对卫星姿态控制的影响。通过仿真发现:当姿控系统采用分时方案时,电能消耗较少,早期阶段的控制精度较高,而后期稳态阶段的控制精度则相对较低;随着磁力矩器占用时间比例的下降,卫星姿态控制精度呈抛物线下降,卫星进入稳态控制阶段的时间也大大延长;分时比例存在一个相当大的范围,当在此范围内变化时,卫星姿态控制精度较高且变化幅值不大。此外,研究结果也反映出PD控制律良好的控制能力和鲁棒性。     

带柔性伸杆小卫星振动控制的半物理仿真实验

在空间探测任务中,为了避免卫星平台剩磁对空间待测信息的干扰影响,需采用轻质的伸杆机构支撑各类探测载荷远离卫星本体,而伸杆的弹性振动不可避免地会耦合作用到卫星本体,从而降低卫星本体的姿态控制精度和稳定度。针对此问题,提出了一种基于伸杆最优指令整形结合本体自适应扰动抑制滤波器的复合振动控制策略,即采用指令整形技术抑制柔性伸杆的弹性振动,同时设计自适应扰动抑制滤波器进一步抵消柔性伸杆残余振动对本体的干扰影响,最后在搭建的半物理仿真实验平台上对控制方法进行了实验验证。结果表明：此方法在有效抑制柔性伸杆残余振动的基础上,通过干扰抵消和抑制的控制策略可显著提高此类航天器的姿态控制精度和稳定度。     

星箭适配器（PAF）隔振技术的进展

星箭适配器（PAF）隔振技术是指在不修改卫星原有结构的前提下,设计具有隔振效能的适配器或在适配器与星箭界面之间引入隔振装置,以隔离卫星发射阶段轴向或侧向的振动。该技术可以降低卫星的质量控制成本,提高卫星发射的可靠性。文章对星箭适配器隔振技术国内外研究进展进行了总结和评述,对美国CSA和欧空局EADS的产品做了介绍,并对我国星箭适配器隔振技术的未来发展途径提出了建议。     

采用简化滤波器思想的卫星姿态确定系统故障诊断

针对星上计算机运算资源有限的问题，为了降低卫星姿态确定系统故障诊断的运算量，提出一种基于卡尔曼滤波器的故障检测与分离方法。该方法首先基于卫星姿态运动方程设计了一种加性卡尔曼滤波器，然后将卡尔曼滤波器与简化观测器思想相结合，进一步提出一种采用简化滤波器思想的姿态敏感器故障诊断律。所提出的故障诊断方法既可以实现对陀螺故障的检测与分离，又能够诊断星敏感器的故障。此外，该方法只利用一个滤波器即可实现故障检测与分离，其计算量小，有利于在轨实施。最终采用一个由三正交一斜装陀螺组件和星敏感器构成的姿态确定系统对所提出的方法进行了仿真校验，仿真结果表明了所提方法的有效性。