基于非线性观测器的一种偏置动量卫星姿态控制方法

研究一类交叉转动惯量较大的偏置动量卫星的姿态控制问题.根据卫星质量分布的特点进行适当简化,建立非线性动力学模型,并基于该模型设计一种非线性偏航观测器.利用该观测器的观测信息进行卫星的姿态控制.整个系统采用动量轮和反作用飞轮作为执行机构,同时卫星三轴均配置磁力矩器为动量轮和反作用飞轮卸载.数值仿真结果表明,在传统的控制方法中,惯量积的存在导致系统控制精度降低和偏航角稳态误差较大,文中提出的控制方案可以很好地完成这类卫星的姿态控制任务.     

基于联合飞轮和磁力矩器的航天器姿态控制算法研究

研究了航天器姿态控制过程中,在姿态捕获阶段单独使用磁力矩器对航天器进行粗定向,在姿态调整阶段联合使用磁力矩器和反作用飞轮对航天器进行控制的问题。建立了反作用飞轮作为执行机构的姿态动力学模型。根据Lyapunov稳定性原理,设计了输入控制器和参数自适应律。将该算法应用于航天器姿态控制过程。仿真结果表明,该算法简单、有效、实用性强。     

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。     

基于变惯量反作用飞轮的小卫星大角度姿态机动控制研究

研究以变惯量反作用飞轮作为执行机构的小卫星的大角度姿态机动控制问题。变惯量反作用飞轮是一种新型的动量交换装置,不仅可以通过改变飞轮转速输出力矩,还可以通过改变其转动惯量实现大范围的力矩输出。文中建立了带有变惯量反作用飞轮的星体姿态动力学方程,设计了姿态控制律和飞轮的操纵律。仿真结果表明,与一般反作用飞轮相比,当小卫星大角度机动时变惯量飞轮的转速更不容易饱和,且力矩的输出范围变宽,可以同时满足小卫星高精度稳定和快速大角度姿态机动的双重要求。     

一种卫星反作用飞轮延寿方法

针对反作用飞轮长时间工作出现的性能退化问题,提出一种反作用飞轮和磁力矩器联合控制使反作用飞轮延寿的方法。通过滚动轴在姿态机动模式下采用比例积分微分(PID)轮控,而在正常稳态模式下使用比例微分(PD)磁控,实现在不降低姿态控制精度的前提下减少反作用飞轮工作时间,从而延长其工作寿命的目标。对联合控制姿态的延寿方法进行仿真分析,验证滚动轴稳态磁控算法、磁控接入及退出条件的正确性。以某低轨卫星为例进行在轨验证,遥测数据显示:卫星正常运行2年多,滚动轴姿态超差最大约2.6°,且绝大部分时间均小于1°,卫星稳态情况下没有自主切换回PID轮控方式,飞轮因长期轴承摩擦引起的电流、温度增大趋势得到有效缓解,飞轮在轨寿命得到延长。     

反作用飞轮力矩模式控制系统设计

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件，提高飞轮系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。介绍了反作用飞轮力矩模式反馈补偿控制系统的设计。首先建立了反作用飞轮数学模型，并分析了摩擦力矩干扰和速率测量噪声的特性，在此基础上进行了反馈补偿控制的设计。理论分析证明，应用反馈补偿控制的飞轮系统能够精确复现力矩输出指令。运行结果表明，在复现力矩输出指令精度方面，应用反馈补偿控制的飞轮系统优于电磁力矩控制的飞轮系统。特别在克服过零力矩干扰上，应用反馈补偿控制的飞轮系统具有较高的性能。     

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。     

反作用飞轮电机换相力矩波动抑制协同控制方法

针对反作用飞轮电机换相所产生的非理想力矩影响卫星姿态控制精度的问题,采用永磁无刷直流电机绕组感生电势、相电流和电磁转矩的解析计算方法得到了反作用飞轮电机的换相力矩波动最小化条件,提出了基于该最小化条件的换相力矩波动抑制高动态协同控制方法,抑制反作用飞轮电机三种运行状态下的换相力矩波动.试验结果表明,电动状态下换相力矩波动减小了12%、可控能耗制动和反接制动状态下换相力矩波动减小了90%以上,验证了该方法的可行性和有效性.     

反作用飞轮速率模式控制系统设计

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件,速率模式是反作用飞轮一种工作模式,提高飞轮速率模式控制系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义.详细讨论了反作用飞轮系统的数学模型,在此基础上实现了反作用飞轮速率模式控制系统设计.实验飞轮运行结果表明,设计的反作用飞轮速率模式控制系统能够抑制飞轮内部干扰和噪声,精确复现速率指令.灵敏度分析证明飞轮系统具有较好的鲁棒性.     

反作用飞轮速率模式控制系统设计

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件，速率模式是反作用飞轮一种工作模式，提高飞轮速率模式控制系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。详细讨论了反作用飞轮系统的数学模型，在此基础上实现了反作用飞轮速率模式控制系统设计。实验飞轮运行结果表明，设计的反作用飞轮速率模式控制系统能够抑制飞轮内部干扰和噪声，精确复现速率指令。灵敏度分析证明飞轮系统具有较好的鲁棒性。     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

三轴稳定遥感卫星姿控系统故障情况下的系统重构

论述三轴对地稳定遥感卫星姿控系统中部分轮子或部分陀螺故障情况下的姿控系统重构。文中论述了只在俯仰通道有一偏置动量轮正常工作，而滚动和偏航通道轮子故障条件下的系统重构。另外还论述了偏航陀螺故障，姿控系统其它部件正常情况下，控制系统采用Whecon原理与PIM控制相结合的设计。以上两种系统重构拟用于实际系统中，经过数学仿真验证，姿控系统在故障情况下能够完成基本任务。     

Development,integrated investigation,laboratory and in-flight testing of Chibis-M microsatellite ADCS

Design, analytical investigation, laboratory and in-flight testing of the attitude determination and control system (ADCS) of a microsatellites are considered. The system consists of three pairs of reaction wheels, three magnetorquers, a set of Sun sensors, a three-axis magnetometer and a control unit. The ADCS is designed for a small 10–50 kg LEO satellite. System development is accomplished in several steps: satellite dynamics preliminary study using asymptotical and numerical techniques, hardware and software design, laboratory testing of each actuator and sensor and the whole ADCS. Laboratory verification is carried out on the specially designed test-bench.In-flight ADCS exploitation results onboard the Russian microsatellite “Chibis-M” are presented. The satellite was developed, designed and manufactured by the Institute of Space Research of RAS. “Chibis-M” was launched by the “Progress-13M” cargo vehicle on January 25, 2012 after undocking from the International Space Station (ISS). This paper assess both the satellite and the ADCS mock-up dynamics. Analytical, numerical and laboratory study results are in good correspondence with in-flight data.     

月面巡视器实时动力学建模与牵引控制

为实现月面巡视器GNC系统的闭环测试,研究了六轮摇臂式巡视器在月表崎岖地形、松软土壤和低重力环境下的动力学建模与控制问题。基于弹塑性轮—土力学和粘弹性运动副约束分析,建立了巡视器的牛顿—欧拉动力学模型。以跟踪期望速度、角速度为目标,采用速度协调控制和车轮滑移控制,完成了巡视器闭环牵引控制。在实时操作系统下实现了巡视器动力学模型和牵引控制系统,并建立了三维可视化平台,对该动力学模型和牵引控制方法进行验证。测试结果证实了建立的动力学模型准确、稳定,可以真实地模拟巡视器在月球表面的运动行为和轮—土作用关系,且满足运动副的约束;所设计的牵引控制方法可以较准确地实现巡视器跟踪期望的运动。     

Plastic Cubesat: An innovative and low-cost way to perform applied space research and hands-on education

This paper describes the design and the manufacturing of a Cubesat platform based on a plastic structure.The Cubesat structure has been realized in plastic material (ABS) using a “rapid prototyping” technique. The “rapid prototyping” technique has several advantages including fast implementation, accuracy in manufacturing small parts and low cost. Moreover, concerning the construction of a small satellite, this technique is very useful thanks to the accuracy achievable in details, which are sometimes difficult and expensive to realize with the use of tools machine. The structure must be able to withstand the launch loads. For this reason, several simulations using an FEM simulation and an intensive vibration test campaign have been performed in the system development and test phase. To demonstrate that this structure is suitable for hosting a complete satellite system, offering innovative integrated solutions, other subsystems have been developed and assembled.Despite its small size, this single unit (1U) Cubesat has a system for active attitude control, a redundant telecommunication system, a payload camera and a photovoltaic system based on high efficiency solar cells.The developed communication subsystem has small dimensions, low power consumption and low cost. An example of the innovations introduced is the antenna system, which has been manufactured inside the ABS structure. The communication protocol which has been implemented, the AX.25 protocol, is mainly used by radio amateurs. The communication system has the capability to transmit both telemetry and data from the payload, in this case a microcamera.The attitude control subsystem is based on an active magnetic system with magnetorquers for detumbling and momentum dumping and three reaction wheels for fine control. It has a total dimension of about 50×50×50 mm. A microcontroller implements the detumbling control law autonomously taking data from integrated magnetometers and executes pointing maneuvers on the basis of commands received in real time from ground.The subsystems developed for this Cubesat have also been designed to be scaled up for larger satellites such as 2U or 3U Cubesats. The additional volume can be used for more complex payloads. Thus the satellite can be used as a low cost platform for companies, institutions or universities to test components in space.     

The results of flight tests of an attitude control system for the Chibis-M microsatellite

The attitude control system of the Chibis-M microsatellite is described. Results of flight experiments on damping the initial angular velocity (made using magnetorquers) are considered, as well as stabilization in the orbital referece frame, and orientation of solar arrays toward the Sun using reaction wheels. The operation of algorithms of satellite attitude determination on sunlit and shadow segments of the orbit is also under study. The general logic of operation of the attitude control system in automatic mode is presented and discussed.     

欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划粒子群算法

研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位，当其中一轮失效，航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下，系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题。基于粒子群优化技术设计了欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划算法。通过数值仿真，并和遗传算法进行了比较，结果表明该方法对欠驱动航天器姿态运动规划是有效的。     

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.     

零角动量欠驱动航天器逆最优稳定控制律设计

研究轮控式零角动量欠驱动航天器姿态最优稳定控制问题。考虑到该类型航天器不存在定常光滑稳定控制律的特点,通过Lyapunov直接法和Backstepping方法设计了一种非线性不连续反馈控制律,同时得到控制Lyapunov函数（CLF）,并由此得到逆最优稳定控制律。该控制律可以避开求解Hamilton-Jacobi方程,最小化某一代价函数,同时具有扇形稳定裕度,对输入不确定性具有一定的鲁棒性。数学仿真结果表明,所设计的非线性不连续反馈控制律能够使姿态渐近稳定至平衡点,并具有最优性,以及在转动惯量存在不确定性时,扇形稳定裕度使系统具有一定的鲁棒性。