星载运动附件扰动抑制方法研究

为改善高分七号卫星（GF-7）在附件（特别是双轴定向天线）运动时的姿态稳定度，研究了星载附件指向运动平滑及其扰动抑制方法。首先，针对卫星姿态扰动主要来源于对地数传天线对地面通信目标的快速捕获运动的情况，通过引入具有角速度全局光滑性的路径平滑技术对天线的目标捕获过程进行规划；其次，针对含有双轴运动天线的整星姿态运动，建立了适用于任意星体运动速度下的一般动力学方程，并进行了对比验证。进而根据规划后的天线运动引起的扰动力矩对姿态控制系统引入前馈补偿，从而抑制天线运动对整星姿态的扰动影响。基于提出的扰动抑制方法进行数值仿真,结果表明，运动平滑与力矩补偿结合的协同控制技术可将天线扰动削减90%以上。     

基于观测器的平台无陀螺姿态复合控制

针对超静卫星星体平台无陀螺、载荷敏感器与星体平台执行机构非共基准安装时整星存在姿态异位控制问题,提出了一种基于观测器估计星体平台姿态的复合控制方法。首先,建立星体平台/Stewart平台/载荷的动力学模型,并获得Stewart平台作动器关节空间的等效动力学模型。针对关节空间等效模型,设计super twisting观测器,以作动器平动位移为输入,以载荷和星体平台之间的相对姿态和角速度为输出,实现星体平台姿态和角速度估计。其次,以载荷测量姿态信息为输入,设计Stewart作动器的积分滑模控制律,实现载荷高精度指向控制。以观测器估计的星体平台姿态信息为输入,设计星体平台控制器实现星体平台的稳定控制。Lyapunov稳定性分析表明所设计的观测器和控制器能够保证闭环系统渐近稳定。数学仿真结果表明：在星体平台有陀螺时,载荷能够实现0.1″指向精度;在星体平台无陀螺时,采用观测器估计星体平台姿态并进行控制,载荷亦可实现0.1″指向精度。     

挠性高稳定度卫星载荷扰动力矩补偿研究

有效载荷或星上运动部件相对卫星平台转动引入的扰动力矩严重影响卫星平台的姿态稳定度和指向精度.为满足卫星姿态高稳定度要求,采用正余弦细分驱动原理对帆板驱动机构(SADA)细分,并利用力矩补偿机构补偿有效载荷运动所引入的扰动力矩.此外,针对补偿机构自身存在的摩擦力矩设计补偿控制律,以改善其力矩输出性能.仿真算例表明设计方案有效.     

星上控制力矩陀螺群隔振平台的动力学特性

为能够给星上有效载荷提供一种超静环境,提出一种星上控制力矩陀螺群(CMGs,Control Moment Gyroscopes)的隔振方案,并对所使用的隔振平台的动力学特性进行研究分析.首先介绍了不同参数模型的隔振元件工作原理和参数特性;其次利用牛顿-欧拉法对含有隔振平台和CMGs的卫星进行动力学建模;最后通过频域和时域的方法分析并对比了各个参数模型下的隔振平台力衰减特性以及对星体姿态稳定度的改善程度.结果表明:两参数加调谐质量阻尼器模型下的隔振平台对共振峰值有一定的衰减作用,三参数模型下的隔振平台在力衰减和对姿态稳定度的改善程度上要明显优于其他2种模型.     

小型控制力矩陀螺扰动建模及性能指标分析

为实现遥感卫星的高精度指向能力,对遥感卫星星上常用执行机构控制力矩陀螺扰动及性能指标评定进行了研究。首先,充分考虑小型控制力矩陀螺的静动不平衡量以及框架轴的安装误差,根据动量定理和动量矩定理建立了完整的星载小型控制力矩陀螺的动力学模型,并对所建立模型的正确性进行了理论分析和仿真验证;其次,将含有扰动特性的小型控制力矩陀螺应用到星上,建立了整星动力学模型,并选用合适的框架伺服控制系统和转子伺服控制系统,完成整星的姿态稳定控制任务;最后,采用数值仿真的方式分析了陀螺转子静动不平衡因素以及框架角测量误差对星体姿态精度和稳定度带来的影响。结合任务要求,对小型控制力矩陀螺设计提出静动不平衡量等指标要求,以期使其满足星上光学有效载荷的成像要求。     

自旋小卫星姿态动力学建模与控制研究

研究探测近地空间自旋稳定小卫星姿态动力学建模与姿态控制问题,探测任务对该卫星姿态控制有着特殊要求。建模中特别考虑了自旋小卫星双侧伸杆扰动对其姿态运动的影响。利用自旋卫星的章动特性,设计了姿态一章动联合控制器,根据星体横向角速度相位和喷气力矩在惯性空间的方位来确定喷气时刻,采取先章动粗控与进动控制,后章动精控的策略。当卫星受空间扰动力矩长期作用产生较大章动角而需调姿进行轨道机动时,可以应用本控制器方便地调整自旋轴的指向。     

一种高稳定度太阳帆板驱动机构控制方法

为了提高低轨遥感平台卫星用太阳帆板驱动机构（SADM,solar array drive mechanism）的速率稳定度,降低太阳帆板转动对星体姿态稳定度的影响,在对SADM驱动原理分析和驱动性能测试的基础上,明确了步进电机定位力矩对速率稳定度的影响,并提出了定位力矩补偿方法．在SADM转速和转矩测量平台上,对定位力矩补偿的驱动控制效果进行了测试和对比分析,测试结果表明,采用定位力矩补偿控制方法可以将SADM的速率稳定度提高约一倍．     

改善反作用轮低速性能的补偿观测器方法

基于Ｄａｈｌ摩擦模型,给出了用于卫星姿态三轴稳定控制的反作用轮低速动力学方程,就反作用轮转速过零对卫星姿态产生的扰动现象进行了分析,提出了一种利用非线性观测器估计摩擦力矩,并予以补偿的补偿观测器方法。仿真结果表明,该方法改善了反作用轮低速性能,提高了卫星姿态控制的指向精度和稳定度。     

具有载荷扰动抑制的卫星姿态控制方法及验证

针对载荷转动对星体产生的呈周期变化的干扰,开展了干扰抑制方法研究。利用干扰的周期特性,基于李亚普诺夫原理设计了参数未知的周期干扰力矩的辨识算法,实现了卫星姿态的自适应控制。最后进行了物理仿真试验,利用真实的星载计算机和控制部件,在气浮台上进行了试验验证,结果表明,算法有效地抑制了载荷转动的干扰,卫星的姿态稳定度提高了50%,且算法简单,易于星上软件实现。     

空间平台姿态联合控制律设计

空间平台发射有效载荷会对平台姿态产生很大的扰动,为快速消除扰动影响并使平台稳定,选取推力器与反作用飞轮进行姿态联合稳定控制,提出了基于推力器的极小时间控制律和基于反作用飞轮的滑模变结构控制律,前者用于快速抑制扰动,后者用于姿态精确稳定,并提出一种控制律切换方法.对空间动能发射后平台的姿态稳定过程进行数学仿真,结果表明,设计的姿态联合控制律能够快速抑制平台姿态扰动,最终消除挠性部件振动达到精确稳定.     

输入受限卫星姿态的鲁棒非线性镇定与跟踪控制

研究控制输入受限的卫星在存在外部干扰和转动惯量不确定性时的姿态镇定和姿态跟踪控制问题,利用双曲正切函数的性质分别设计了两种有界鲁棒非线性反馈控制律,并用李雅普诺夫方法证明：通过适当选择两种控制律中的参数,可保证闭环系统角速度误差渐近趋于零,且姿态误差收敛到事先给定的原点小邻域内．仿真结果表明利用所设计的控制律可在控制输入受限情况下有效抑制外部干扰和转动惯量不确定性的影响,达到预期控制目标．     

卫星姿态控制系统执行器微小故障检测方法

针对卫星姿态控制系统执行器微小故障检测问题,提出一种基于神经网络干扰观测器的微小故障检测方法。该方法利用卫星姿态控制系统内的冗余关系,分别构建陀螺干扰观测器和干扰力矩观测器,对系统内的测量误差、扰动等进行估计,并对故障检测观测器进行扰动补偿,提高对执行器微小故障的检测能力。仿真结果表明,与基于解析模型的方法相比,该方法能够较精确地对解析模型的误差进行补偿,明显降低了检测阈值,实现了对扰动掩盖下的微小执行器故障检测。      

机械臂的分散模糊变结构跟踪控制

提出了一种适用于机械臂的分散模糊变结构轨迹跟踪控制方法.将机械臂的轨迹跟踪系统考虑为由线性子系统、非线性关联组成的不确定性复杂系统,采用分散控制方法进行控制器设计.所提出的控制方法能够保证系统状态有较高的跟踪精度.另外,通过在分散变结构控制系统中引入模糊控制规则减弱了一般变结构控制系统的颤振.控制算法简单可行,易于实现.数字仿真表明了该方法的有效性.     

Space-based line-of-sight tracking control of GEO target using nonsingular terminal sliding mode

This paper addresses the issue of high-precision line-of-sight (LOS) tracking of geosynchronous earth orbit target in highly dynamic conditions via spacecraft attitude maneuver. First, characteristics of the LOS motion are analyzed by a simplified linear relative motion model. Second, after transforming the quaternion-based attitude model into a double integrator system, a new nonsingular terminal sliding mode controller is proposed for spacecraft attitude tracking in a nominal case without parametric uncertainties and external disturbances. Third, an adaptive new nonsingular terminal mode controller is proposed for spacecraft attitude tracking in an uncertain case, which is done via constructing a pair of adaptive laws to estimate the parametric uncertainties and external disturbances online. The robust stability and finite time convergence property of the closed-loop system are demonstrated by Lyapunov theorem. Under control of the proposed controller, zero steady state error tracking of LOS with a smooth transition phase can be achieved in scheduled time, regardless of parametric uncertainties and external disturbances online. Finally, detailed numerical simulation results are presented to illustrate the effectiveness and performance of the proposed controllers. Contrasting simulation results shows that proposed controllers can track the desired trajectories effectively and have better performance against the controllers based on linear sliding mode and the existing fast nonsingular terminal sliding mode.     

基于干扰补偿的导弹增量式动态逆容错控制方法

针对导弹飞控系统存在外部干扰、执行机构故障等问题,本文运用一种鲁棒增量式动态逆被动容错控制方法,以避免主动故障诊断带来的计算效率问题,同时实现飞行姿态的可靠安全控制。针对外部干扰及执行机构故障等控制系统不确定性,建立导弹三通道姿态控制模型,基于干扰观测器对不确定性进行估计与补偿设计终端滑模控制律。为进一步增强导弹姿态控制系统的鲁棒性,给出导弹增量式动态逆容错控制律,结合终端滑模控制设计干扰补偿的增量式动态逆终端滑模控制律,并对系统残差进行分析比较。某典型全弹道姿态跟踪任务仿真表明,该方法在故障未知的情况下仍然保持姿态跟踪特性与容错能力,实现导弹姿态鲁棒精准快速控制。     

Energy-optimal reconfiguration of satellite formation flying in the presence of uncertainties

In this study, a two-step control methodology is developed for energy-optimal reconfiguration of satellites in formation in the presence of uncertainties or external disturbances. First, based on a linear deterministic system model, an optimal control law is analytically determined such that a satellite maneuvers from an initial state to a final state relative to another satellite. The structure of this optimal solution is predetermined and simply given by a linear combination of the fundamental matrix solutions associated with the original equations of relative motion. Only the coefficients are to be determined to satisfy given initial and final conditions. In the second step, an uncertain nonlinear formation system is considered and a robust adaptive controller is designed to compensate for the effects of uncertainties or disturbances that the formation system may encounter. Although the control strategy is inspired by sliding mode control, it produces smooth control signals, thereby avoiding chattering. Also, an adaptation law is added such that the uncertainty or disturbance effects are effectively and quickly eliminated without a priori information about them. The combination of these two controllers guarantees that the satellite accurately tracks the optimal path in the unknown environment. Numerical simulations demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed two-step control methodology, in which a satellite formation is optimally reconfigured under unknown environmental disturbances.     

刚体航天器大角度姿态机动控制算法

针对刚体航天器在参数不确定及环境扰动情况下的大角度姿态机动问题,提出一种自适应离散变结构姿态控制算法.建立包含航天器姿态运动学及动力学的仿射模型,并精确反馈线性化解耦;对得到的各线性动态方程离散化处理,由离散指数趋近律推导了参数化的离散变结构姿态控制律.最后基于Lyapunov稳定性理论设计了控制参数的自适应更新律,有效克服了模型中的各时变项及干扰项影响.仿真结果表明,该算法可有效减小干扰引起的姿态指令角跟踪偏差,确保了大角度姿态机动控制的精确性与鲁棒性,并且消除了常规变结构控制的抖振现象.     

飞行器航迹倾角的自适应动态面控制

针对飞行器纵向模型具有参数不确定性和外界干扰的特点,提出一种飞行器航迹倾角的自适应动态面控制方法.动态面控制方法通过引入一阶低通滤波器避免了传统反演设计存在的"微分爆炸"现象,采用自适应律对模型未知参数进行在线估计,并利用非线性阻尼项克服外界干扰.通过Lyapunov方法证明得出闭环系统半全局一致稳定,跟踪误差可通过调节控制器参数达到任意小.仿真结果表明:该方法能在简化控制设计过程的同时保证航迹倾角跟踪上预定轨迹,控制系统具有较强的自适应能力且对外界干扰具有一定的鲁棒性.     

一类不确定分数阶混沌系统的滑模自适应同步

基于滑模自适应控制理论、Lyapunov稳定性理论和分数阶线性系统稳定性理论,在考虑系统存在模型不确定和外部扰动的情况下,选用一种具有较强鲁棒性的分数阶滑模曲面,设计了合适的自适应滑模控制器。所设计的控制器能够将系统状态控制到滑模面上,实现两个不确定分数阶混沌系统的同步,且不需事先知道不确定项上界。该控制器结构简单,控制代价小,具有较好的通用性,对未知扰动具有较强的鲁棒性。数值仿真验证了该方法的正确性和有效性。     

Mars entry fault-tolerant control via neural network and structure adaptive model inversion

The capability of autonomous fault detection and reconstruction is essential for future manned Mars exploration missions. Considering actuator failures and atmosphere uncertainties, we present a new active fault-tolerant control algorithm for Mars entry by use of neural network and structure adaptive model inversion. First, the online BP neural network is adopted to conduct the fault detection and isolation. Second, based on the structure adaptive model inversion, an adaptive neural network PID controller is developed for Mars entry fault-tolerant control. The normal PID controller will be automatically switched into neural network PID controller when an actuator fault is detected. Therefore, the error between the reference model and the output of the attitude control system would be adjusted to ensure the dynamic property of the entry vehicle. Finally, the effectiveness of the algorithm developed in this paper is confirmed by computer simulation.