偏置动量卫星东西位置保持策略优化方法

针对偏王动量卫星的特点,提出了一种偏置动量卫星东西位置保持策略优化方法.根据单自由度轮控系统的控制方式、角动量管理的控制方法,以及角动量管理对卫星轨道的影响,基于动量轮转速的变化建立了推力器喷气效率、轨道元素变化量计算模型,提出了可延长东西位置保持周期的轨道控制优化策略.实际轨控任务应用结果表明方法控制效果良好.     

动量轮卸载在改进GEO卫星东西轨道保持中的应用

空间外干扰力矩会使在轨GEO三轴卫星动量轮转速发生周期性变化,因此需要进行动量轮卸载。通过对卸载前后卫星轨道根数的比较,发现动量轮卸载可以延长卫星实际的东西轨道保持周期。以动量轮卸载有利卫星轨道保持为研究目的,通过计算和分析,推导出动量轮卸载时转速变化与卫星半长轴变化关系的数学模型,并以实际测量数据为基础,对模型进行了仿真验证,证明了动量轮卸载对改进GEO卫星东西轨道保持的可行性,提出了一种利用动量轮卸载改进GEO卫星东西轨道保持策略的新方法。     

低轨偏置动量卫星气动干扰力矩补偿控制研究

针对低轨卫星由于气动干扰力矩较大导致偏置动量控制精度较低的问题,理论分析了气动干扰力矩并进行建模,讨论了基于角动量与角速率作用产生陀螺力矩的影响。固定偏置动量卫星X、Z轴基于磁力矩器控制,气动干扰力矩严重时又处于磁不可控区,为确保姿态控制精度,考虑增加1台反作用飞轮抑制气动干扰力矩,反作用飞轮可与偏置动量轮组成单自由度偏置动量控制,反作用飞轮用作补偿轮,沿X轴安装。采用飞轮角动量补偿和磁补偿方法提高固定偏置动量控制精度:为防止赤道上空X轴处于磁不可控区时补偿轮角动量变化对X轴的干扰,对补偿轮角动量输出进行限幅,给出了补偿算法;为防止反作用飞轮限幅后角动量对Z轴产生干扰,设计了磁补偿控制策略。仿真结果表明:在同时采用角动量补偿和磁补偿后三轴姿态控制精度0.2°,较无补偿时有大幅提高。     

基于滚动信息反馈的偏置动量卫星滚动/偏航回路姿态控制器设计

以偏置动量卫星为背景,针对滚动/偏航回路的姿态控制,采用频率分离法分析设计了基于滚动信息反馈的控制器,并给出控制参数的合理选取范围。卫星俯仰回路采用常用的偏置动量轮控制,其滚动/偏航轴上各安装一个反作用飞轮以完成姿态控制。同时,卫星三轴配置磁力矩器以实现动量轮/反作用飞轮的角动量卸载。最后进行了数学仿真,结果表明,卫星滚动/偏航轴的姿态指向控制的精度和稳定度分别达到0.05°和0.001(°)/s,验证了所设计的控制规律的可行性以及控制参数分析的合理性,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

双太阳翼GEO卫星在轨角动量管控方法

地球同步轨道(GEO)卫星在轨的主要环境干扰力矩为太阳光压力矩和重力梯度力矩，干扰力矩的累积效应表现为飞轮转速的变化，需要通过外力矩进行角动量卸载避免飞轮饱和。由于GEO磁场极弱，卫星无法使用磁力矩卸载，只能通过喷气卸载，而喷气将对卫星轨道产生影响，因此需要尽可能延长卸载周期。针对配置双对称太阳电池阵GEO卫星的角动量管控需求，首先建立卫星在惯性空间中角动量积累模型，并映射到卫星本体系中，得到本体系中的角动量变化规律。通过飞轮在轨转速遥测数据，精确辨识获取环境干扰力矩特征参数，获得真实可靠的干扰模型。以角动量卸载周期最长为原则，基于在轨环境干扰模型制定角动量管控策略，并准确预估下次角动量卸载时间。经在轨数据处理与分析表明:提出的角动量管控策略，可有效将飞轮的角动量卸载周期提升为原来的2倍，有效提升卫星在轨应用效能，具有实际工程意义。     

风云四号卫星双程测距系统精密轨道确定

针对我国新一代静止轨道卫星风云四号高精度轨道计算需求，地面跟踪系统设计了多台站双频双程测距模式。详细给出了信号传播介质改正中的电离层与对流层处理方法，并给出了风云四号卫星动力学轨道确定策略。在非变轨期间，采用动力学定轨方法。轨道确定残差分析，测量噪声均方根优于0.5 m。通过轨道重叠分析，非变轨期间精度优于20 m。动量轮卸载期间，采用估计经验力的方法，其定轨残差优于1 m。对多弧段数据处理表明文中方法满足同步卫星双程测距模式下的高精度轨道跟踪问题。     

三轴稳定同步卫星定点保持控制效果快速评估算法

通过分析同步卫星定点保持控制过程中,轨道变化与卫星动量轮转速变化的对应关系,提出了一种利用轨道控制期间卫星角动量变化实现控制效果的快速评估算法。该算法可在点火结束后较短时间准确评估出轨道半长轴、漂移率和偏心率的变化量,具有评估时间短,精度高的特点,在实际卫星控制中得到了很好的应用。     

基于能量最优解析解的飞轮磁卸载方法

为改善传统卫星飞轮磁卸载,提出了一种基于能量最优解析解的磁卸载法。根据在轨卫星所处地磁场强度的变化规律,将卫星磁力矩器产生的磁矩作傅里叶级数展开,按卫星飞行一圈所需卸载的角动量由最优控制理论求出三轴磁矩的解析解。证明了该卸载法的稳定性,估算了干扰力矩及其作用,讨论了轨道倾角的影响,并给出了小倾角时的修正飞轮卸载控制律。理论分析和仿真结果表明,该飞轮卸载法简单且节能,效果明显优于传统的磁卸载法。     

一种适于GEO卫星姿轨控结合的正常模式东西控制方法

为提高某DFH-3平台地球同步轨道(GEO)卫星正常模式下东西位置保持的效率,缩短控制时间,提出了一种卫星姿轨控结合的控制方法。基于东西位保、动量轮姿态控制原理,分析发现推力器不对称性是导致原控制方法效率不佳的主要原因,给出了在轨控过程中进行角动量主动补偿控制的方法。方法在实际任务中得到了验证,减少了控制过程中姿态和动量轮转速变化,显著减少了控制时间。可推广用于推力器对称性较差的GEO卫星正常模式东西位置保持控制。     

GEO卫星电推力器安装位置优化研究

针对配置电推力器的地球静止轨道(GEO)卫星,研究了以位置保持效率为指标的电推力器最佳安装位置。分析了南北、东西位置保持所需推力大小与工作时间的关系,得到推力器安装位置与位置保持可控性的定量关系。分析了电推力器安装位置与角动量卸载能力的关系,电推力器的推力方向越接近垂直,角动量卸载能力越大。以位置保持效率为最优目标,考虑卫星尺寸、位置保持可控性和角动量卸载能力等约束条件,给出了电推力器最优安装位置的确定方法:根据位置保持效率及卫星尺寸约束,确定电推力器纵向与垂向安装位置;根据位置保持可控性和角动量卸载能力等约束条件,确定电推力器横向安装位置。利用一个典型优化算例对此方法进行验证,结果表明:该优化方法能够确定满足约束条件下的电推力器最优安装位置,可为GEO卫星电推进系统的布局设计提供参考。     

Halo轨道维持的线性周期控制策略

共线型平动点附近的Halo轨道具有指数不稳定性,轨道维持是必不可少的。推导了基于Halo轨道的误差动力学方程,并证明其一阶近似即为线性周期系统。以一次维持的作用时间为离散步长,并通过定常变换,将所得误差动力学化为线性离散定常系统;则仅需通过极点配置,即可实现Halo轨道镇定。研究结果表明,利用Halo轨道周期性设计的线性周期控制策略,可以满足轨道维持任务的需要。     

不同月球借力约束下的地月Halo轨道转移轨道设计

针对地月系L2点不同任务需求下的低耗能转移轨道设计问题,基于不变流形理论与混合优化技术,深入研究了不同月球借力约束与不同幅值Halo轨道的入轨点（简称HOI点）对转移轨道飞行时间与燃料消耗的影响,给出了HOI点选择策略。首先结合任务要求并考虑月球引力影响,在月球借力点施加不同约束条件,通过微分修正算法调整Halo轨道的稳定流形,设计月球到Halo轨道的转移轨道。采用遗传算法与微分修正算法相结合的混合优化策略,在同时考虑地球停泊轨道高度、倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下,对燃料最优的地月转移轨道进行研究。最后,分析月球借力高度、借力方位角和不同HOI点对平动点转移轨道飞行时间与燃耗变化量的影响,对于考虑月球借力的地月平动点转移轨道设计与应用具有重要的参考价值。     

从地球到日-火系平动点轨道的转移

平动点轨道特殊的空间位置及动力学特征,使其在深空探测中具有重要的应用。以日-火系平动点轨道(Lissajous与Halo轨道)任务为目标,结合平动点轨道的不变流形理论,研究了小推力转移问题。首先给出了圆型限制性三体动力学模型下平动点附近不变流形(稳定和不稳定流形)高阶分析解以及相应的计算实例。接着以流形分析解为基础,建立了初始小推力轨道优化模型,并利用改进的协作进化算法求解初始小推力轨道。最后将初始轨道离散,采用多点打靶法将最优控制问题转化为参数优化问题,并用序列二次规划方法(SQP)求解。仿真结果证明轨道设计方法的有效性。     

Three-axis active control system for gravity gradient stabilised microsatellite

In this paper, the control system of the first Algerian microsatellite in orbit Alsat-1 is presented. Alsat-1 is a 3-axis stabilised microsatellite, using a pitch momentum wheel and yaw reaction wheel, with dual redundant 3-axis magnetorquers. A gravity gradient boom is employed to provide a high degree of platform stability. Two vector magnetometers and four dual sun sensors are carried in order to determine the attitude. This paper examines the low Earth orbit (LEO) control system requirements and design in the context of a real system, the Surrey Satellite Technology Limited (SSTL) advanced microsatellite platform and puts forward designs for the control system to match the advanced capability of the enhanced microsatellite platform. Numerical results show the effectiveness of the implementation. Comparison with in orbit results is presented to evaluate the performance of the control system during accurate Nadir pointing control.     

空间机器人抓捕目标星碰撞前构型优化

空间双臂机器人抓捕目标星会导致碰撞,针对碰撞引起机器人系统基座姿态变化的问题,提出一种基于粒子群算法的碰撞前构型优化方法。该方法首先给出了碰撞前和碰撞后的动力学模型,然后根据冲量-动量方程推导出碰撞阶段动力学方程,最后提出基于粒子群算法的最优碰撞前构型规划数值方法,使碰撞对机器人系统角动量的影响尽量小。通过计算校验了该方法的有效性,找到了用于空间机器人抓捕目标星的较理想的碰撞前构型。     

采用观测器的偏置动量小卫星姿态容错控制

针对偏置动量小卫星的自主飞行问题，提出一种基于不确定项观测器的滑模容错控制方法。应用欧拉-拉格朗日系统的干扰观测方法设计不确定项观测器，对动量轮输出力矩变小、磁力矩器线圈电阻漂移等执行器故障以及小卫星外部环境力矩等不确定项进行估计，理论推导证明该观测器的观测误差一致最终有界(UUB)。基于不确定项观测器的估计值，设计补偿控制项，并与滑模控制器的控制力矩合成实现姿态容错控制。从理论上证明该容错控制方法能够使小卫星姿态快速收敛至滑模面。该容错方法无需做小角度假设，对执行器运行状态信息依赖性低。仿真结果表明，本文建议的容错控制方法具备可行性，实现了对小卫星姿控系统中不确定项的观测估计和容错控制。