三轴气浮台自动调节平衡和干扰力矩测试

三轴气浮台是在地面模拟卫星姿态运动的支撑平台. 为有效进行卫星地面模拟仿真, 模拟卫星在外层空间的小干扰力矩力学环境, 首先分析气浮台扰动力矩, 针对重心相对于回转中心存在漂移时产生静态不平衡, 及主惯性轴相对于回转轴存在漂移时会产生动态不平衡的问题, 采用先手动平衡再自动平衡的方法, 调节气浮台平衡; 然后给出三自由度气浮台自动平衡动力学方程, 在平衡调整基础上, 用有效的测试手段测试气浮台的台体水平度、静不平衡力矩、干扰力矩等, 为小卫星姿态控制系统的仿真提供一个有效的、精确的实验平台.      

挠性卫星高精度智能控制及物理仿真实验研究

从工程角度出发,以具有挠性太阳翼的卫星为背景,着重研究了挠性卫星的智能控制方案。针对高精度控制这一要求,设计了双层小脑模型神经网络(CMAC)与变结构(VSC)复合智能控制器,并基于单轴气浮台全物理仿真系统进行了实验,取得了较高的姿态控制精度,表明了智能控制方法的有效性。     

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。     

空间机器人协调控制全物理仿真设计与验证

机械手在空间运动时,对卫星本体会产生干扰,卫星本体采用协调控制方法,减少机械手运动对本体的影响.设计基于气浮台的全物理仿真试验系统,通过气足漂浮支撑机械手和三自由度气浮台,来模拟卫星在空间微重力环境下一个平面内的协调控制运动,采用星上部件、控制器和控制软件,对协调控制进行了验证.     

星载TDI CCD相机成像仿真系统的实现

以VC++ 6.0为开发环境, 基于航天TDI (Time Delay and Integration) CCD相机地物点与像点的映射模型, 开发了TDI CCD相机成像仿真软件系统, 建立了由卫星单轴气浮姿态控制仿真台和地面星载TDI CCD相机成像仿真软件系统构成的实时航天TDI CCD相机成像仿真平台, 可动态模拟航天TDI CCD相机在进行标称偏流角调节后卫星姿态角速度误差对航天TDI CCD相机成像的影响, 仿真结果与实际成像结果基本一致.      

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。      

轨道末期星载相机侧摆成像匹配分析与实验

通过分析卫星轨道末期星载TDI CCD相机成像面临的数据读出频率过大、像移失配严重等瓶颈问题, 提出了轨道末期卫星侧摆成像匹配方案. 依据轨道衰减高度, 设计侧摆成像匹配模型, 计算出轨道高度与匹配成像侧摆角度之间的变化关系, 对侧摆成像时的像移速度矢量、偏流角度、成像畸变等进行了定量的可行性分析, 并利用蒙特卡洛方法分析了满足侧摆成像的卫星姿态指向精度和稳定度. 利用基于小型三轴气浮台的小卫星姿态控制系统和TDI CCD相机成像系统进行仿真试验, 结果表明, 仿真图像的MTF函数和互相关相似性测度均在0.85以上, 侧摆成像匹配方案能较好地满足轨道末期成像需求.      

微小卫星用微型控制力矩陀螺研究

摘要： 随着技术的发展,微小卫星已经成为一种功能强大的航天器.为了进一步拓展微小卫星的应用领域,提升其任务效益,高敏捷机动能力成为了微小卫星发展的重要方向.控制力矩陀螺（CMG）因其具有高转矩能量比和低重量力矩比,将成为实现微小卫星敏捷机动的重要执行机构.介绍一种新型的可应用于微小卫星的微型CMG,其角动量为0.1 N·m·s.经过实验室测试和环境试验,结果表明该型CMG可满足微小卫星的姿态控制需求.     

月球立方星姿态控制系统的初步设计与测试

立方星是一种模块化的微小卫星,在科学探测与专业人才培养等方面具有重要意义。针对目前立方星任务逐渐从近地轨道向深空扩展的发展趋势,以立方星月球深空任务为背景,利用商业器件设计并实现了初步的立方星姿态控制系统,以及姿态控制系统所必需的结构、电源、计算机等立方星子系统,同时给出了姿态测试平台的设计方案及其硬件实现。在所搭建硬件平台上,通过测量飞轮控制器的阻尼系数,对控制模型进行参数辨识与标定,获得了与数值仿真一致的实物测试结果。针对姿态控制系统设计了PD控制律,并在控制实验中实现了至任意姿态角的机动控制。     

卫星姿态控制系统在轨实时健康评估

面向航天器在轨智能自主管控的技术需求,提出一种基于多级模糊综合评价架构的卫星姿态控制系统的在轨实时健康评估方法.根据卫星姿态控制系统的性能特点,按实际功能将其划分为姿态测量、控制器和执行机构3个部分.在确定各部分单元部件健康信息的基础上,基于模糊综合评价算法对各部分的健康度分别进行评估.基于评估所得到的姿态测量、控制器和执行机构3部分健康信息,根据各部分对系统健康的影响情况结合变权综合原理确定健康影响权重,采用模糊综合评价算法实现对姿态控制系统整体健康性能的综合评估.仿真实验结果表明,所提出的方法能够有效实现卫星姿态控制系统的在轨实时健康评估.     

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。     

Compensation of time-variable magnetic moments for a precise attitude control in nano- and micro-satellite missions

Theses days, many nano- and micro-satellites are applied to several astronomy and remote sensing missions. In order to achieve mission requirements, these satellites must control the attitude precisely. A magnetic disturbance is one of the dominant sources of attitude disturbances. Therefore, this disturbance should be canceled in-orbit or on the ground to achieve the attitude strict requirements. This paper presents the effect of the magnetic disturbance to the attitude in nano- and micro-satellite missions and the sources of the residual magnetic moment of the satellites, which causes the magnetic disturbance. Then, the paper proposes a method to compensate the residual magnetic moment both in-orbit and in the design phase of the satellites. The research also focused on a time-varying residual magnetic moment. Finally, the method is applied to a micro-astrometry satellite as an example.     

空间机器人气浮式物理仿真系统有效性研究

针对典型的空间机器人气浮式物理仿真系统,根据实际系统具有的姿态稳定、相对逼近、空间机器人系统协调运动、抓取和释放等工作模式,从基本动力学原理和两系统中分别实际存在的扰动两个层次上,分析了仿真系统对实际系统模拟的有效性,总结了对仿真结果有效性影响最为严重的干扰因素,分析结果为此类仿真系统的有效性检验提供了一种思路和方法.     

微小卫星轨道保持的混合切换控制方法

固体微推力器阵列作为一种新型推力装置用于微小卫星轨道保持具有精度高、无燃料泄漏、冲量可调等优点,但是微推力器推力不连续的特点,使得控制系统设计时与以往的连续系统有所不同。为了充分发挥微推力器高精度的特性,采用基于混合系统的切换控制思想,建立了微推力器混合切换系统控制模型。首先,根据固体微推力器的推力特点推导了卫星离散动力学模型;其次,以李雅普诺夫稳定性定律为基础,设计了混合系统脉冲切换控制律;最后,针对小卫星轨道控制进行了仿真验证。结果表明,基于混合系统建立的控制模型能准确反映微推力器的特点,轨道保持精度能达到0.2m,而且推力器消耗量满足卫星长时间在轨运行要求。     

Jitter reduction of a reaction wheel by management of angular momentum using magnetic torquers in nano- and micro-satellites

Nowadays, nano- and micro-satellites, which are smaller than conventional large satellites, provide access to space to many satellite developers, and they are attracting interest as an application of space development because development is possible over shorter time period at a lower cost. In most of these nano- and micro-satellite missions, the satellites generally must meet strict attitude requirements for obtaining scientific data under strict constraints of power consumption, space, and weight. In many satellite missions, the jitter of a reaction wheel degrades the performance of the mission detectors and attitude sensors; therefore, jitter should be controlled or isolated to reduce its effect on sensor devices. In conventional standard-sized satellites, tip-tilt mirrors (TTMs) and isolators are used for controlling or isolating the vibrations from reaction wheels; however, it is difficult to use these devices for nano- and micro-satellite missions under the strict power, space, and mass constraints. In this research, the jitter of reaction wheels is reduced by using accurate sensors, small reaction wheels, and slow rotation frequency reaction wheel instead of TTMs and isolators. The objective of a reaction wheel in many satellite missions is the management of the satellite’s angular momentum, which increases because of attitude disturbances. If the magnitude of the disturbance is reduced in orbit or on the ground, the magnitude of the angular momentum that the reaction wheels gain from attitude disturbances in orbit becomes smaller; therefore, satellites can stabilize their attitude using only smaller reaction wheels or slow rotation speed, which cause relatively smaller vibration. In nano- and micro-satellite missions, the dominant attitude disturbance is a magnetic torque, which can be cancelled by using magnetic actuators. With the magnetic compensation, the satellite reduces the angular momentum that the reaction wheels gain, and therefore, satellites do not require large reaction wheels and higher rotation speed, which cause jitter. As a result, the satellite can reduce the effect of jitter without using conventional isolators and TTMs. Hence, the satellites can achieve precise attitude control under low power, space, and mass constraints using this proposed method. Through the example of an astronomical observation mission using nano- and micro-satellites, it is demonstrated that the jitter reduction using small reaction wheels is feasible in nano- and micro-satellites.     

空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制

考虑了任务星与废星的姿态运动以及系统组合体的面内外姿态运动,建立了绳系拖拽离轨系统动力学与控制模型,以切向常值推力下绳系拖拽轨道转移为任务过程,分析了任务星在喷气和零动量轮的限制姿态反馈控制条件下飞行时,废星姿态摆动、系统组合体面内外摆动和任务星姿态运动的规律及相互影响关系。采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制方法,并结合任务星姿态控制,确保绳系拖拽转移安全平稳进行。仿真结果表明:常值推力下绳系拖拽轨道转移时,牵挂点偏置诱发的废星姿态周期性摆动会激发绳系组合体的面内外同频率高阶摆动,星体姿态运动是任务星姿态扰动力矩产生的主要因素;采用张力复合控制可有效消除废星姿态摆动并保持星间相对距离,结合任务星姿态控制,可实现离轨过程的平稳与安全,大幅减少任务星的姿控能耗。      

基于(w,z)参数化的微小卫星喷气欠驱动控制

针对欠驱动微小卫星的姿态稳定问题,提出了基于( w,z )参数化的稳定控制方案.( w,z )参数化是一种新的姿态描述方法,它通过两次垂直的旋转来表示卫星的姿态,补充了一次旋转的四元数法和三次旋转的欧拉角法等姿态描述的完整性.采用( w,z )参数化法建立了微小卫星的运动学和动力学模型,并设计了旋转轴稳定、角速率稳定以及姿态稳定等控制律,应用于非对称欠驱动卫星的稳定控制.以采用PWM(Pulse Width Modulation)技术的微型喷气系统作为执行机构进行欠驱动控制的仿真实验,表明了所提出控制方法的有效性.     

基于STM32的可重复使用运载器闭环仿真系统

针对验证可重复使用运载器关键控制技术的需求,提出了一套基于STM32的可重复使用运载器闭环仿真系统。基于该套平台,对系统的总体方案、硬件平台设计、软件开发及设计进行了重点论述,实现了箭上测量单元、计算机单元、执行单元及地面测发控单元的模拟。通过仿真试验验证,完成了可重复使用运载器制导、导航及姿控算法等关键控制技术的验证。结果表明：所开发的闭环仿真系统设计合理,系统实时性好,可靠性高。可为可重复使用运载器大型试验奠定基础,缩短研制周期。     

卫星光轴复合指向控制方法研究

卫星平台搭载光学载荷对空间运动目标进行跟踪指向技术已经成为卫星发展的重点，为了提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性，仅依靠卫星的姿态调整已无法提升卫星光轴的性能。通过对由卫星姿态、星载光电转台和快反镜组成的卫星复合光轴指向系统的分析，需三者协同工作，输出有效叠加，才能有效提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性。对卫星姿态控制系统、星载光电转台控制系统、快反镜控制系统进行研究建模后，确定了三者的作动频带。通过建立辅助PQ单位反馈系统，运用频率响应法设计复合指向控制器，模拟某轨道的卫星与跟踪目标的相对运动轨迹作为仿真模型的输入。仿真数据表明卫星光轴的跟踪指向误差由0.6°下降到了0.05°，证明了复合指向控制律有效提升了卫星光轴的性能。