卫星姿控系统中的飞轮

飞轮又称动量轮或惯性轮,是卫星姿控系统中的执行元件,并对星体有稳定作用。卫星执行机构分两类:一类是质量喷射,包括各种喷气机构和离子推力器;另一类是动量交换,各种飞轮执行机构均属此类。一般认为:长寿命卫星姿控系统用动量交换产生控制力矩比用质量喷射更为适宜,主要理由如下: 1.飞轮为连续控制执行机构,能给出较精确的控制力矩和较高的控制速率。质量     

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。     

磁悬浮飞轮技术及其应用研究

针对目前卫星上使用的滚珠轴承动量飞轮的不足,概要介绍了磁悬浮飞轮的优点及其分类。首先综述了应用于卫星姿态控制执行机构的磁悬浮飞轮的发展历史与研究现状,重点分析了磁悬浮飞轮的主要关键技术。其次阐述了两轴主动控制型磁悬浮飞轮应用于卫星姿态控制的适应性,较为全面的介绍了我们在磁悬浮飞轮技术研究上的工作与进展。最后展望了磁悬浮飞轮技术未来应用的发展方向,针对我国空间技术发展的实际需求提出了目前应重点研究的方向。     

卫星储能/姿控一体化飞轮构型及其误差分析

介绍了卫星储能/姿控一体化飞轮的偏置动量、零动量和单个飞轮的不同构型及其组成,并分析了成对飞轮偏置动量、单个飞轮零动量构型的动量和能量转换。建立了偏置动量和零动量飞轮的控制模型。对电机转矩不对称,以及转子转动惯量和安装不同轴误差对卫星姿态的影响进行了仿真试验。结果表明,前者的影响甚微;后者在不同轴误差为0.2°时,转动误差应小于2%。     

空间站基于动量管理的集成能量与姿态控制系统

研究了使用飞轮和变速控制力矩陀螺的空间站基于动量管理的集成能量与姿态控制系 统（Integrated Power and Attitude Control System IPACS）。设计了使用飞轮和变速控 制力矩陀螺的空间站基于动量管理的IPACS框架,通过仿真验证了基于动量管理的IPACS的有 效性,以及相对于单独的IPACS的优越性,同时变速控制力矩陀螺因同时具备飞轮和框架力 矩陀螺的特点更适用于空间站长期在轨的姿态控制和能量存储要求。
     

一种在轨卫星质量特性计算方法

提出一种基于交互式迭代和批量最小二乘法的在轨质量特性计算方法,仅使用陀螺作为敏感器,动力学模型适用于零动量和偏置动量两种控制模式,考虑了卫星与飞轮动量交换以及参数之间耦合关系,且能够适用于在轨不进行连续大角度姿态机动的卫星。计算结果表明,此方法具有快速、稳定的收敛特性和较高的计算精度。     

卫星大动量矩飞轮的设计

为满足长寿命大型卫星控制系统的需要 ,设计和研制了一种长寿命、大动量矩的动量飞轮。在介绍了国外大动量矩的动量飞轮产品的基础上 ,论述了 5 5N·m·s飞轮的设计技术和关键技术。给出了样机的测试结果并与国外同类产品的性能进行了比较。结果表明 ,样机的设计原理正确。     

斜装偏置动量三轴姿态控制

1.引言随着高精度、长寿命、大功率应用卫星的迅速发展,目前越来越多地采用飞轮来进行姿态控制。飞轮作为姿态控制的执行机构,目前在技术上最成熟,结构上最简单的,要算反作用轮和动量轮,由这两种飞轮可以组成下列三种类型:     

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。     

磁悬浮框架飞轮磁轴承技术研究与发展现状

对磁悬浮框架飞轮(MSGFW)和高精度磁轴承研究现状及其未来发展进行了详细阐述。根据转子悬浮力类型，将磁悬浮框架飞轮分为磁阻力构型、洛伦兹力构型和混合力构型，并结合三种构型论述了国内外框架飞轮的发展过程。在此基础上，对球面磁阻力磁轴承和洛伦兹力磁轴承进行了详细介绍，并结合磁路图分析其工作原理，比较了同类磁轴承的优劣。展望了磁悬浮框架飞轮与高精度磁轴承的未来发展方向，指出高动态响应检控共位平动球面磁阻力磁轴承，标准磁悬浮动量球和磁悬浮控制敏感球是磁悬浮框架飞轮的研究重点。     

空间碎片软捕获姿轨控模型构建与仿真

为构建利用柔性机械臂捕获空间碎片的系统仿真模型,首先分析梳理空间碎片捕获典型任务流程,包括轨道转移、位置保持、路径规划、动量稳定控制等阶段;然后针对任务流程分别搭建基于Simu Link的路径规划、动量缓冲控制、姿态控制、动力学和轨道仿真等子系统;各个子系统之间以TCP/IP的方式进行数据交互,最终完成空间碎片软捕获任务姿轨控仿真系统的构建。     

基于解耦和动态补偿的卫星控制系统设计

针对带大型挠性单翼太阳帆板和偏置动量的三轴稳定卫星,研究如何消除星内外干扰对姿态控制精度影响的卫星控制系统的设计问题。首先对星内外干扰进行了数值分析,进而阐明了在经典控制方案中干扰力矩对姿态控制精度的影响,指出经典控制在克服干扰力矩对姿态控制精度影响方面存在的不足之处。然后根据卫星的动力学特点,提出并论证了在设定角动量交换系统标称值条件下基于解耦和动态补偿的卫星控制系统的设计方案。最后深入分析了在该方案下太阳帆板挠性模态的稳定性。     

小卫星动量轮非线性特性建模与仿真方法

动量轮是三轴稳定卫星姿态控制的关键执行部件。由于小卫星本身的转动惯量较小，微弱的干扰力矩有可能导致整个卫星控制系统性能下降。因此，建立一个基于动量轮实际物理特性的理论仿真模型对小卫星姿态控制系统设计至关重要。本文提出了一种多输入多输出非线性建模方法，并给出了基于SIMULINK的动量轮物理特性仿真模型。该模型可以同时输出动量轮所有特征参数的实时值。最后，通过开环和闭环控制数值仿真，对模型进行了验证。数值实验结果与实际物理部件的测试结果一致。本方法可以为小卫星姿控系统的仿真提供一个有效的、精确的、可以直接应用的部件级模型。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

多自由度微振动环境时域波形复现的数值仿真

为满足航天器微振动环境模拟的需要,开展了多自由度微振动时域波形复现控制方法研究。首先,介绍了基于时域波形复现的多自由度微振动环境模拟控制理论方法。其次,针对六自由度微振动激励系统,应用MATLAB软件建立了基于实测传递函数矩阵的多输入多输出微振动激励仿真系统,针对微振动时域波形复现闭环控制过程进行了算法编程,并给出了仿真的闭环控制流程图。最后,通过算例对多自由度微振动时域波形复现进行了数值仿真,以给定的白噪声为输入,模拟对实际存在的系统非线性、测量误差等影响因素的控制效果。仿真结果验证了多自由度微振动时域波形复现控制方法的可行性及有效性,所得结论可以为研究多自由度微振动时域波形复现控制系统提供参考。     

用单框架控制力矩陀螺的大型航天器姿态控制系统实物仿真研究

利用三轴气浮台模拟航天器空间力学环境，进行了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)姿态控制／动量管理系统全实物仿真研究。推导了大型航天器姿态控制／动量管理系统数学模型。设计调试了实物仿真系统。研究了单框架控制力矩陀螺奇异回避问题、失效操纵问题和动量管理优化问题。证明了系统构形分析、奇异性分析和操纵律设计的正确性和有效性。通过大型航天器姿态控制／动量管理系统实物仿真，检验了设计方案的可行性和系统硬、软件的可靠性。     

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。     

偏置动量卫星偏航姿态估计与控制研究

为改善偏置动量卫星无偏航姿态敏感器时用滚动角间接控制偏航姿态的精度,基于降维观测器设计提出了一种采用偏航角估计值直接控制偏航姿态方法。在分析收敛性的基础上,给出了降维观测器的设计,以及直接控制法的系统模型。理论分析和仿真结果表明,该法能大幅提高偏置动量卫星的姿态精度,且易于软件实现,不增加系统硬件配置。