速率模式飞轮姿态控制系统飞轮组合平稳切换方法

对速率模式飞轮姿态控制系统的能控性、稳定性和飞轮组合切换过程进行了研究,揭示了在飞轮组合切换过程中引起卫星姿态抖动的原因,提出了通过对残余角动量进行卸载并将卸载函数同时前馈到系统输入的方法,以保持卫星姿态的稳定度。从理论上证明了可引入残余角动量进行卸载,将卸载函数同时前馈到系统输入,并且不改变原系统的能控性和稳定性。给出了某卫星飞轮切换应用实例,说明了飞轮组合平稳切换方法的有效性。     

技术试验卫星-Ⅲ

日本技术试验卫星-Ⅲ(ETS-Ⅲ)是一颗零动量三轴姿态控制卫星,已于1982年9月3日在种子岛宇宙中心用N-1运载火箭发射成功。这是一颗为未来大功率卫星作技术准备的试验卫星。ETS-Ⅲ的配置和各分系统情况如下: 一、姿态控制分系统(ACS) 该分系统用三轴控制方法使偏航轴指向地心,保持姿控精度。它由六种主要部件组成:地平仪,惯性基准单元,速率陀螺组合件,太阳敏感器,反作用飞轮和姿态控制电子线路。 ACS控制反作用控制分系统的推力器,有完成卸载、轨道控制和反作用飞轮备份工作方式等功能;ACS直接控制太阳帆板的     

“风云一号” B 卫星姿态控制系统

“风云一号”气象卫星姿态控制系统采用了三轴稳定对地定向的主动控制方案。已发射了两颗（Ａ、Ｂ）卫星,其中Ｂ星是在Ａ星主控系统的基础上,增加了一个完整的备份系统,采取一系列冗余措施并设计全方位姿态重新捕获的故障对策。经飞行试验及在轨故障应急处理证明,系统设计是完善和成功的,其中反作用飞轮控制、偏置动量控制、磁章动进动和飞轮卸载控制、全方位姿态重新捕获方案在中国是首次采用,均取得了较好的飞行效果,为长寿命卫星姿态控制系统的设计积累了宝贵经验。     

航天器在轨角动量演化及卸载策略研究

为了减少在轨卫星的喷气卸载次数,节省推进剂,延长卫星的使用寿命,对地球静止轨道零动量卫星和V型轮偏置动量卫星的角动量管理问题进行了研究.根据卫星角动量累计演化特点,给出两类卫星的角动量管理方法,提出优化的喷气卸载策略.基于上述研究对在轨卫星非正常卸载情况进行了理论分析与仿真验证,提出解决措施.在轨试验表明,基于优化的喷气卸载策略进行卫星角动量管理,可明显减少卫星的卸载次数,验证了策略的正确性.     

基于LightGBM的卫星飞轮温度预测

为保障卫星的正常在轨运行,地面系统需要对卫星运行状态进行监控预警,其中对卫星各系统的温度监控尤为重要.温度不仅直接反映卫星系统的健康状态,更会对系统器件的性能和寿命造成影响.飞轮作为卫星姿态控制系统的重要组件,其温度变化是识别姿态控制系统状态的重要信息.卫星飞轮温度的预测与预警对卫星在轨稳定运行具有重要意义.本文基于某在轨卫星遥测数据,结合空间环境数据,应用LightGBM机器学习框架研究建立梯度提升决策树模型,对卫星飞轮温度进行预测.经与实际遥测温度值进行对比验证,预测精度可以满足对卫星飞轮温度的监视需求.研究结果可应用于地面系统,对卫星姿态控制系统可能发生的温度异常进行预警,使地面运控人员能够提前规避风险,保障卫星的安全在轨运行.      

微小卫星姿态控制系统半物理仿真设计及验证

针对利用反作用飞轮作为执行机构的微小卫星姿态控制系统,详细讨论了基于dSPACE实时仿真机、单轴气浮转台、星载计算机及陀螺和反作用飞轮实物的卫星姿态控制系统半物理仿真的方案设计;并利用该系统对仅用反作用飞轮的卫星姿态大角度机动控制模式进行了半物理仿真验证。仿真结果表明根据陀螺和反作用飞轮现有精度,设计的大角度姿态机动控制算法能够满足分系统技术要求,同时验证了半物理仿真系统方案设计合理、可靠。     

双圈磁钢飞轮电机的设计及优化

反作用飞轮系统是卫星等航天器实现姿态调节的执行机构,目前国内卫星姿态调节用的飞轮电机是常规单层磁钢飞轮电机,根据该系统对飞轮电机的具体性能要求,在常规飞轮电机的基础上提出一种双圈磁钢结构的飞轮电机,以此改善常规飞轮电机气隙磁密波形及反电势波形质量不高、转矩波动和电机损耗大等问题。首先采用有限元软件对双圈磁钢飞轮电机进行结构设计,其次在双圈磁钢飞轮电机尺寸确定的情况下,对电机的磁极对数和极弧系数进行优化,由于双圈磁钢飞轮电机的磁钢产生的磁密在气隙中分布相比常规飞轮电机更加均匀,所以最后将其与常规飞轮电机进行定量对比,对比结果表明,双圈磁钢飞轮电机的气隙磁密波形质量比常规飞轮电机的气隙磁密波形质量更好,其转矩脉动更小,提高了反作用飞轮系统的控制精度和稳定性。同时双圈磁钢飞轮电机的电机损耗更小,增大了飞轮电机的运行效率。     

基于扩张状态观测器的飞轮故障检测与恢复

飞轮是卫星姿态控制系统中的主要执行部件,实现其自主故障检测与恢复对于维持卫星正常姿态具有很重要的意义.在建立了精确飞轮开环系统模型的基础上,设计了二阶非线性连续扩张状态观测器ESO(Extended State Observer).将飞轮故障视为系统外扰,并假设其余外扰是小量可忽略,则利用此ESO不仅能实时得到飞轮开环系统的状态量,当飞轮发生故障时更能快速准确地估计出故障量.因而无需产生系统残差即可直接进行故障检测,同时根据故障量的大小对系统输入即驱动电压进行补偿,使飞轮转速仍能维持正常值,保证卫星姿态不受故障影响.数值仿真验证了此方法的有效性.      

开关电源拓扑在飞轮控制系统中的应用综述

卫星在轨运行时,在光照区/阴影区下,卫星电源母线电压差异较大,飞轮在高转速运行时,电机反电势较高,为了满足需求,具有升压功能的开关电源拓扑在飞轮控制系统中得到了有效应用。介绍了几种常用的非隔离型/隔离型拓扑结构,为未来飞轮控制系统的设计提供了有实际意义的应用思路。     

磁定姿近地轨道卫星EKF与UKF算法比较

某近地轨道(LEO)卫星通过磁强计测量、飞轮控制和磁力矩器卸载,实现三轴姿态稳定.围绕该卫星姿态确定问题,对扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)算法进行综合分析对比,最后给出该卫星姿态确定实现方法.分析了地磁模型误差、磁强计测量误差及剩磁的影响,推导了四元数均值及协方差的计算方法.分别引入EKF和UKF进行姿态确定,并讨论了影响算法性能的因素.对两种方法的估计精度、收敛时间及计算需求等指标进行了对比.最后针对该卫星姿态确定要求和硬件条件,选用EKF算法实现姿态确定,满足对地指向精度优于1°,稳定度优于0.1(°)/s的设计指标.     

神经网络在下颌运动轨迹图测量中的应用

介绍了采用小型磁石测量下颌运动轨迹图Electrognathography(EGN)的方法。给出利用磁偶极子模型代替小磁石模型的理论及实际依据。利用神经网络解决由磁石产生的磁感应强度推定其空间参数的反演问题 ,并且采用了分割网络及修正网络的方法来提高磁石运动测量的推定准确度。     

Charged particle dynamics in the combined field of two rotating magnetic dipoles: A numerical investigation of the parametric effect on the equatorial motions

In this contribution we study some aspects of the dynamics of a charged particle in the field produced by two magnetic dipoles that rotate in circular orbits around their common center of mass under their mutual Newtonian attraction. More precisely, we numerically investigate the evolution of the regions of the particle motion on the equatorial plane of each dipole and we explore their parametric variation. We focus our investigation on those problem parameters that are related with the magnetic fields and the masses of the primaries. The obtained preliminary results show that for each particular set of the above parameters and for certain values of energy these regions are bounded, and therefore the motion of the particle is confined inside them.     

6-DOF formation keeping control for an invariant three-craft triangular electromagnetic formation

Spacecraft relative motion with inter-craft electromagnetic force has distinct advantages, and its invariant shapes that are convenient for formation keeping ensure some potential significant applications. However, the electromagnetic actuators affect both the relative trajectory and attitude motion, complicating related researches on issues of invariant shape design and formation control. In this paper, the formation keeping problem for an invariant three-craft triangular electromagnetic formation is investigated on the basis of a 6-DOF full nonlinear dynamic model. Moreover, a combined control scheme consisting of feed-forward and feed-back control components is proposed to handle the high nonlinearity, strong coupling, model uncertainties and external disturbances. The feed-forward component is obtained through desired invariant shape design which is complicated by the coupling and superposition effects of any two distinct magnetic dipoles, and the feed-back component is developed with a combination of linear feed-back controller by the LQR method and active disturbance rejection by the extended state observer. Finally, the numerical simulation is presented to verify the feasibility and validity of the proposed 6-DOF combined control scheme.     

十字交叉振子类型圆极化天线的研究

通过对Ｈａｌｌｅｎ方程进行矩量法求解，讨论了十字交叉振子类型天线产生圆极化辐射时两对振子长度选择的方法；计算了几种情况下天线的远区辐射场；指出十字交叉振子、伞型振子等这类天线由于具有结构紧凑、工作可靠、易于赋形等特点，可广泛应用在空间飞行器上。     

核磁共振陀螺高精度磁场驱动技术

核磁共振陀螺（NMRG）是利用激光与核磁共振气室中的碱金属原子和惰性气体原子的相互作用使核子以拉莫尔频率进动,并通过磁场驱动技术对气室磁场实现闭环控制和对剩磁进行补偿来维持核子的共振状态,进而能够检测载体的角速度信息。磁场驱动技术作为磁场闭环控制的重要部分,直接影响核磁共振陀螺的磁场控制精度和稳定性。为了解决核磁共振陀螺磁场控制精度和稳定性不足的关键问题,采用交直流分离设计的压控电流源方案改善磁场驱动问题,基于噪声分析理论对电路进行建模和噪声分析,并通过实验验证对三轴线圈的横向磁场控制精度达±0.046 2 nT,纵向磁场控制精度为±0.003 1 nT,实验证明该技术方案具有较强的工程应用价值。      

磁浮支承系统的神经网络建模与控制

简述了磁悬浮支承系统的原理和简化的线性化模型,以及基于该简化模型和线性控制理论的控制系统原理、主要组成,并阐述了这种基于简化模型和线性控制理论的磁悬浮支承系统性能极限性.在此基础上,采用非线性递归神经网络对磁悬浮支承系统进行建模与控制,并针对实际应用中神经网络的学习问题进行了讨论.避免了磁悬浮系统的非线性和不确定性等因素对系统性能影响,并具有较强鲁棒性,大大提高了磁悬浮系统的性能.      

万向磁悬浮动量轮研究

目前大部分空间飞行器三轴姿态控制采用的是飞轮系统 ,其精度较高 ,而采用磁悬浮轴承支承的动量轮比普通的滚珠轴承动量轮有更高的姿控性能。在此基础上发展的动量矩方向可改变的万向磁悬浮动量轮可以单独实现三轴较高精度的主动姿态控制 ,具有重要的实用价值。同时 ,万向磁悬浮动量轮的研究也为集成能源与姿态控制系统的研究提供了技术支持。文意介绍了万向磁悬浮动量轮在国际上研究和发展的情况 ,概括了其中的关键技术 ,并给出了一种初步的结构设计实例。     

An intercomparison of meteor radar measurements at the South Pole using two different processing systems

A new meteor radar system was installed at the Amundsen–Scott station South Pole in 2001 to further the understanding of the dynamics of the Antarctic region. The antenna array consists of four yagis pointed along the 0°, 90°, 180°, and 270° meridians and five folded crossed dipoles arranged in a cross configuration and operating as an interferometer to provide position measurements for the detected radio meteors. The four yagis are time division multiplexed and used for both transmitting and receiving while the five folded crossed dipoles are only used for reception. The current arrangement of data acquisition (DAQ) systems at the South Pole allows the collection of meteors in a configuration similar to the previous meteor radar system that operated at the South Pole in the mid 1990s while also using an interferometer to accurately determine the meteor positions in the sky, which enables the determination of the vertical structure of the observed waves. This has been accomplished through the use of two DAQ and post-processing systems: COBRA (Colorado Obninsk radar) connected to the yagis and MEDAC (meteor echo detection and collection) connected to the folded crossed dipoles. With two separate DAQ systems operating in parallel we have the ability to directly compare the results and understand the inherent variability in the derived scientific results based on different system architectures and processing assumptions. The impact of operating a system without an interferometer on the amplitudes and phases of the observed wave components is considered. We find that the lack of altitude resolution of the COBRA DAQ system leads to an underestimation of the amplitude of the s = 1 component of the semidiurnal tide of ∼20% during the summer months.     

重力梯度小卫星重力场捕获的Lyapunov法

探讨了重力梯度小卫星采用主动磁控技术进行重力场捕获的Ｌｙａ－ｐｕｎｏｖ能量耗散法;给出了分区控制的条件及逻辑;阐述了磁控力矩的产生方法。仿真结果表明,该方法简单、有效,控制精度达到磁控小卫星的较高水平。     

近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题, 提出了一种非线性反馈控制方法. 基于电磁力模型和地磁场模型, 分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响; 建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型; 基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律, 利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证. 仿真结果表明, 地磁场引起的电磁干扰力可以忽略, 但是电磁干扰力矩的影响必须考虑; 近地轨道集群航天器电磁编队是可控的, 所设计的控制方法是可行的.