高分七号卫星控制分系统设计及在轨验证

针对高分七号(GF-7)卫星控制分系统高精度姿态确定、姿态控制和快速机动的需求,文章采用星敏感器相对基准标定,将甚高精度星敏感器与前后视相机进行一体化安装的布局方式,并采用了数传天线轨迹平滑和干扰力矩补偿算法控制天线,采用高刚度高稳定度太阳翼驱动机构(SADA)控制太阳翼,从而实现了卫星的高精度姿态确定和高稳定度姿态控制。经在轨验证,结果表明:姿态稳定度小于0.000 06(°)/s,优于姿态控制分系统的指标要求,可为遥感卫星姿态控制分系统设计提供参考。     

基于四元数反馈线性化的飞行器姿态控制方法研究

空间飞行器姿态控制系统是一个非线性多输入多输出系统,其姿控执行机构的布局及工作特性决定了姿态控制的难易程度。针对飞行器以姿控发动机作为姿控执行机构时的大角度姿态运动需求,本文采用单位四元数作为弹体姿态描述,考虑到姿控发动机布局对姿态控制的影响,直接以姿控发动机推力作为系统的控制输入,利用反馈线性化方法,将原非线性系统转化为一个六阶线性子系统和一个一阶内动态子系统。在对内动态分析的基础上,针对线性子系统设计了四元数PD反馈控制律。在转动惯量不确定性以及轨控大干扰力矩存在的情况下,对闭环控制系统进行了大角度姿态运动数字仿真。仿真结果表明,本文所设计的姿控方法能够有效地实现飞行器大角度姿态控制,并对系统参数摄动及外部干扰具有较强的鲁棒性。     

考虑质心漂移的载人月面着陆器自适应姿态跟踪控制

月面着陆器在下降着陆过程中质量变化大,质心漂移及其引起的姿态扰动问题突出。载人月面着陆任务对安全性可靠性要求高,如何提高姿态控制的精度和稳定度是着陆任务顺利实施的关键。文章提出采用反作用控制系统和推力矢量控制的联合姿态控制方案,设计了自适应姿态控制器及质心漂移自适应估计器,通过李雅普洛夫方法证明闭环姿态控制系统稳定,引入反作用控制和推力矢量控制的误差特性以检验控制器的鲁棒性。数值仿真结果表明该控制方案可行,所设计自适应姿态控制器能使姿态控制系统稳定,推力矢量控制侧摆能使推力指向跟踪质心,可为工程应用提供参考。     

一种用于快速跟踪视线的空间拦截器姿态控制方法

以空间拦截器的纵轴在中、末制导段要求指向目标的视线，按最小空间角距旋转，作为跟踪目标的姿态定向的假想坐标系，形成本体坐标系相对假想坐标系的误差四元数。由拦截器的转动角速度分量与误差四元数作为状态反馈构造稳态姿态控制的数学模型。为了得到姿态控制所需的变控制力矩，运用PWPF调制器对常值推力姿控发动机的稳态和脉冲工作状态进行调制，构造所谓的“数字变力矩”控制器，实现对姿态的连续控制。仿真计算结果表明，该方法是实际可行的。     

高分多模卫星控制分系统设计及在轨验证

高分多模卫星(GFDM-1)对控制分系统姿态测量精度、姿态确定精度、卫星姿态控制能力、卫星机动能力、可靠性和地面验证方面都提出了更高的要求。文章针对高分多模卫星的特点,对控制分系统的体系结构、技术方案、可靠性设计、寿命试验等方面进行了概述,重点论述了卫星控制分系统基于二级总线的轻小型化体系结构、高精度高稳定度姿态控制技术、敏捷机动姿态轨迹规划技术、长寿命高可靠设计方案。根据卫星在轨运行数据,给出了控制分系统单机和系统性能指标在轨验证情况。     

舱压对载人航天器密封舱姿态光学敏感器安装精度影响分析

姿态光学敏感器是航天器在轨姿态控制的重要部件,其安装精度直接影响航天器的姿态控制精度。为了研究舱压对载人航天器密封舱姿态光学敏感器安装精度的影响,以某载人航天器密封舱外安装的姿态光学敏感器为研究对象,通过对其安装精度要求、安装状态与舱体变形情况的分析,提出了一种敏感器在设计阶段布局的分析方法。在地面进行了模拟充压试验,验证了分析方法的有效性。根据分析和试验结果在型号后续设计中进行了相应的布局改进,改进结果满足了敏感器安装精度要求并经过了飞行试验验证。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

基于鲁棒H_∞控制的运载火箭姿态控制系统设计

针对某新型运载火箭的特点,建立发动机振动方程,分析发动机振动与全箭振动耦合关系,考虑气动参数以及弹性参数不确定性,建立全箭姿态动力学模型。采用鲁棒控制理论,进行运载火箭姿态控制系统设计,比较鲁棒控制器与PD控制仿真结果。仿真结果表明,所设计的控制器,能够实现考虑发动机振动在内的姿控系统稳定,且对参数不确定性具有良好的鲁棒性,适合工程应用。     

双臂自由飞行空间机器人的姿态控制方案

自由飞行空间机器人的姿态控制可考虑利用反作用轮或反作用喷气装置以机器人本体姿态不变，但这种方法存在的最大问题是消耗燃料，直接影响机器人的轨道寿命，同时对系统产生振动而导致系统不稳定，为此本文提出了另一种新的方案，即基于受限最小干扰图的姿态控制方案。这种方案不使用反作用轮或反作用喷气装置，而通过规划机械手末端的运动轨迹，使机器人的本体姿态在机械手动作过程中基本保持不变。为验证本文提出的姿态控制方案的     

适应运载火箭推力下降故障的神经网络容错控制方法

针对运载火箭单台发动机推力下降故障,提出了一种基于径向基神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBFNN)的容错姿态控制方法。该方法无需故障诊断系统,根据运载火箭姿态动力学控制通用模型,使用RBFNN在线辨识并补偿模型的故障变化和不确定干扰,得出容错控制律。仿真结果表明,在单台发动机发生推力下降故障时,本文方法与传统PD方法、自适应增广控制方法(Adaptive Augment Control,AAC)相比,可有效保证姿态稳定和控制精度。     

拦截器模糊姿态控制律研究

针对带有姿控发动机、在大气层外飞行的拦截器,提出了一种模糊姿态控制律。根据姿控发动机布局,给出了发动机开关逻辑表,考虑到姿控机构具有多级控制能力,基于模糊控制的思想,设计了发动机开启方向和数量的切换策略。随后,利用相平面方法分析了该控制律和PD控制律的相似之处,并指出了前者的优越性。最后,对该控制律的控制效果进行了数字仿真。仿真结果表明,该控制律具有抗干扰、动态品质优良、稳态精度高的特点。     

Control system design of the Korean lunar lander demonstrator

In preparation for the lunar exploration program scheduled to be launched during the early 2020s in Korea, a lunar lander demonstrator, which will be used for developing and demonstrating lunar landing technologies, is being developed. The control configuration of the lunar lander demonstrator is determined with the consideration of available technologies and flight requirements. It is suggested that altitude control be achieved by clustering five 200 N monopropellant thrusters and attitude control with eight 3 N thrusters. A control algorithm designed to follow a predefined trajectory is developed using quaternion feedback. Control system configuration and control logic are verified by using computer simulations. Simulation results show that a soft landing with a touchdown velocity of less than 3 m/s is achieved. Attitude control performance is also verified using computer simulations. The developed control configuration will be further tested by hardware in the loop simulations and ground based firing tests during the next phase of the study.     

Hybrid thrusters and reaction wheels strategy for large angle rapid reorientation with high precision

The quaternion-based, high precision, large angle rapid reorientation of rigid spacecraft is the main problem investigated in this study. The operation is accomplished via a hybrid thrusters and reaction wheels strategy where thrusters are engaged in providing a primary maneuver torque in open loop, while reaction wheels provide fine control torque to achieve high precision in closed-loop control. The inaccuracy of thrusters is handled by a variable structure control (VSC). In addition, a signum function is mixed in the switching surface in VSC to produce a maneuver to the reference attitude trajectory in a shortest distance. Detailed proofs and numerical simulation examples are presented to illustrate all the technical aspects of this work.     

先进上面级变轨段姿态解耦控制研究

针对多星部署先进上面级变轨段三轴姿态严重耦合以及主发动机开机引起的较大干扰力矩问题,研究了基于反馈线性化的姿态解耦算法。通过给出上面级多星部署任务中的坐标系和姿态角定义,建立了欧拉角描述的姿态动力学与运动学方程。分析了推力矢量与姿控发动机的控制方案,描述了该方案中主发动机、伺服机构和姿控发动机的配置结构,推导了推力矢量控制中的主发动机摆角计算公式和主发动机工作时质心偏移引起的干扰力矩。基于反馈线性化理论,设计了上面级姿态解耦控制律。算例验证结果表明姿态角速率误差和姿态角误差能够快速趋于1°/s和0.5°。文中设计的姿态解耦控制算法具有良好的稳定性和可行性。     

小型固体运载器起飞段姿态控制方法研究

针对控制系统,采用侧喷流发动机和栅格舵的新型小型多级固体运载火箭开展了起飞段姿态控制方法研究。给出了在低马赫数条件下侧喷流发动机的力放大因子和栅格舵的控制力矩,建立了运载器姿态控制模型。根据侧喷流和栅格舵的特点,设计了PID控制器与智能开关控制器相结合的新型控制器,运用神经网络算法实现了开关控制器参数的在线选择。仿真结果表明,所设计的控制器满足控制精度、稳定度和鲁棒性的要求,算法简便,具有工程可实现性,以侧喷流发动机和栅格舵为执行机构的控制系统能满足运载火箭起飞段姿态控制要求,为陆基或空射小型固体运载火箭姿态控制方法提供了一种新思路。     

High-precision single-input control of relative motion in spacecraft formation

A Newton-type method is proposed to improve the accuracy of control for relative motion of two satellites in close formation. We assume that the deputy satellite is equipped with a passive attitude control system that provides one-axis stabilization, and one or two orbit control thrusters are installed along the stabilized axis. Previous studies show that it is possible to construct periodic relative trajectories both in case of passive magnetic and spin stabilization. However, the accuracy of the numerically obtained control is quite low due to modeling errors caused by linearization of the equations of relative motion. Therefore, a correction procedure is required to compensate for nonlinear effects. To this end we suggest a recently developed algorithm based on the Newton method for solving nonlinear systems with geometric constraints. Being implemented, this algorithm allows decreasing the modeling error by up to ten times. The previously found control and trajectory of the linearized system are used as initial approximations.     

基于小波分析的航天器姿态控制系统故障诊断方法研究

小波分析是一种全新的时频两维的信号分析技术,本文将其引入航天器姿态控制系统故障诊断,并针对姿态控制系统所采用的红外地球敏感器、陀螺和姿控发动机的典型故障模式,研究了基于小波分析技术的故障诊断方法。仿真结果证明了所提方法的有效性。     

间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器，提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量，根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用 Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解，避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。