DF Vectoring: Application to Stationary Synchronous Satellites

Several methods of using an earth-based radio reference signal to determine the three-axis attitude of a synchronous satellite, and two types of spacecraft electronic systems (amplitude measurement and phase measurement), which obtain attitude and pointing information from the radio reference signal for orientating the spacecraft and for directing large-aperture antennas aboard the spacecraft are described. The earth-based radio reference signal also enables the electronic systems to determine angles to other ground stations with respect to fixed (reference) stations on the earth. These attitude- and angle-determining techniques are applicable to communications satellites, navigational satellites, and intersatellite data relay systems.     

空间飞行器的姿态识别

研究不变矢量在固联和轨道坐标系下的表达,得出了一个坐标系在另一个坐标系中旋转的变换矩阵。并且通过2个不变矢量在不同坐标系中的表达,识别了飞行器在空间绕质心旋转运动的3个欧拉旋转角。此方法已应用于工程实际。     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。     

Toward Accurate On-Ground Attitude Determination for the Gaia Spacecraft

The work presented in this paper concerns the accurate On-Ground Attitude (OGA) reconstruction for the astrometry spacecraft Gaia in the presence of disturbance and of control torques acting on the spacecraft. The reconstruction of the expected environmental torques which influence the spacecraft dynamics will be also investigated. The telemetry data from the spacecraft will include the on-board real-time attitude, which is of order of several arcsec. This raw attitude is the starting point for the further attitude reconstruction. The OGA will use the inputs from the field coordinates of known stars (attitude stars) and also the field coordinate differences of objects on the Sky Mapper (SM) and Astrometric Field (AF) payload instruments to improve this raw attitude. The on-board attitude determination uses a Kalman Filter (KF) to minimize the attitude errors and produce a more accurate attitude estimation than the pure star tracker measurement. Therefore the first approach for the OGA will be an adapted version of KF. Furthermore, we will design a batch least squares algorithm to investigate how to obtain a more accurate OGA estimation. Finally, a comparison between these different attitude determination techniques in terms of accuracy, robustness, speed and memory required will be evaluated in order to choose the best attitude algorithm for the OGA. The expected resulting accuracy for the OGA determination will be on the order of milli-arcsec.     

基于干扰观测器的天基观测航天器姿态控制设计

与地基空间目标监视系统相比,天基观测系统具有监视范围广,不受国界限制,观测精度高等优点,是未来空间目标观测技术的重要发展方向。但天基观测航天器工作时,相机转台的运动,太阳能帆板挠性部件的弹性振动与航天器的姿态运动相互影响,构成强耦合的非线性系统,传统的控制方案无法实现对这类天基观测航天器的高精度姿态控制。文章针对某一空间观测航天器的任务要求,设计了基于干扰观测器的前馈补偿航天器姿态控制系统,仿真实验结果表明:姿态角控制精度小于 0.06°,姿态角速度精度小于 0.03(°)/s,达到了精度要求。     

对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计

为实现对自由翻滚的失控目标航天器进行在轨服务,基于二阶滑模控制算法设计了相对位置与姿态耦合的自适应控制器。考虑相对转动对相对平动的耦合作用,建立了两航天器对接端口间相对位置与姿态耦合的动力学模型,并在此基础上设计了自适应Super twisting控制器,以减弱已知界限的有界干扰所产生的震颤效应,使闭环系统在有限时间内收敛到平衡点。利用李雅普诺夫方法证明了有界干扰下的闭环系统稳定性,并对收敛时间的上界进行了估计。仿真结果表明,与Super twisting算法相比,所设计的自适应二阶滑模控制器对参数不确定性及线性增长有界干扰具有较强的鲁棒性,且控制精度满足在轨服务的任务需求。     

采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制

以框架角受限的金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构,研究了航天器欧拉姿态机动控制问题.考虑控制力矩及航天器角速度约束等因素,对已有的姿态机动控制律进行了改进,使其能实现绕欧拉轴的大角度姿态机动.同时考虑力矩陀螺框架角受限情况,通过适当加入空转指令对框架角进行重构,设计了复合控制形式的控制力矩陀螺操纵律,并通过过渡...     

基于电磁波三维结构向量的飞行器姿态估计

以电磁波三维空间结构向量为参照的飞行器姿态/航向测量研究，可弥补空间参照物缺乏，丰富空间飞行器姿态/航向测量工具。本文根据各缺损电磁矢量传感器姿态位置与接收信号之间的变化规律，建立飞行器载电磁矢量传感器阵列导向矢量。根据协同导航的多个信号空间谱和最大化，实现平台姿态/航向测量。飞行器多位置的多个传感器共同测量姿态可避免遮挡，获得更高姿态精度的同时拓展了系统的适用领域。接收电磁信息完备状态下，不需导航信号，测绘平稳的杂波就能作为姿态基准。仿真试验验证了姿态估计的有效性。     

基于联邦卡尔曼滤波的测量船导航信息处理方法

为了提高航天测量船导航系统提供的位置、姿态及速度的精度,以满足飞行器测控的特殊要求,从信息融合的角度进行分析,针对多传感器信息融合技术在工程中的应用作进一步探讨,提出了基于信息融合技术的组合导航方案,构造了INS／CNS／GPS／DVL组合导航系统滤波体系结构,构建了误差模型,阐述了融合算法。仿真及实测数据证明,设计的联邦滤波器可以充分利用各种冗余信息,提高导航的数据精度。     

基于3D Zernike矩的巡检器与空间站的相对导航算法

针对航天器相对导航问题,以空间站表面为"特殊地形",提出一种基于大型航天器表面巡检的相对导航算法。首先,运用巡检飞行器上的TOF （Time of Flight）相机测量空间站表面局部点云数据,以该点云数据为实时图,以空间站表面先验点云数据为基准图。然后,利用3D Zernike矩与三维地形间的一一对应关系,将三维地形匹配转化为基于3D Zernike矩的特征向量匹配。在此基础上求解实时图与匹配上的基准图间的相对位置、相对姿态,从而确定两航天器间的相对导航参数,并通过实验分析了匹配精度及速度的主要影响因素。最后,将该相对导航参数与惯性系统推算的相对导航参数在扩展卡尔曼滤波器的框架下实现信息融合,估计了巡检飞行器与空间站间的相对位置、相对姿态,实验结果表明,相对位置精度优于0.002 m,相对姿态精度优于0.1°。     

克服旋转飞行器螺旋运动的方法研究

旋转飞行器虽然具有内在稳定性，但在飞行过程中一些不确定因素会导致飞行器产生螺旋运动，而非理想的关于角动量矢量纯粹的旋转运动。结合旋转飞行器自身的特点，借鉴自旋卫生的被动章动阻尼的方法，提出了一种通过主动控制飞行器内部质量块的运动使得飞行器碑的惯量主轴发生偏移，惯量矩阵由原来的对称阵变为含有非零非对角元素的矩阵，从而改变飞行器的姿态角运动来克服螺旋运动的方法，这将有助于提高旋转飞行器的资态控制精度。以某型旋转飞行器为背景进行仿真研究，计算结果证实了该方法的有效性和可行性。     

混合小推力航天器轨道保持高性能滑模控制

针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器，研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题，以及进一步提高系统控制性能，设计了一种高性能滑模控制策略。首先，考虑模型不确定性，建立了混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱面坐标系的动力学方程；其次，基于改进型条件积分滑模面和径向基（RBF）神经网络设计了控制律，结合自适应方法在线估计不确定参数；接着，将求取的虚拟控制量在推进剂最优条件下转换成实际控制量，即太阳帆姿态角和太阳电推进力；最后，数值仿真验证了上述设计方法提高了系统鲁棒性，减小了轨道位置超调，并且混合推进相比于单一太阳帆推进，在更短收敛时间内控制精度提高了4个数量级，相比于单一太阳电推进，一年可以节省约89.6%的推进剂。     

基于鲁棒扩展卡尔曼滤波的双目视觉测量相对导航技术研究

针对非合作目标相对导航问题,为提高相对导航的精度和可靠性,采用双目视觉测量方法实现追踪器与目标器之间相对状态的测量,并基于鲁棒扩展卡尔曼滤波方法,提出了一种鲁棒相对导航滤波方法。仿真结果表明,该方法对相对导航系统模型中的不确定性具有良好的鲁棒性,且滤波精度较高。     

飞机尾旋三维测量试验的改进方法

飞机尾旋试验是研究飞机进入尾旋特征以及提出如何改出尾旋的方法。传统测量飞机尾旋运动姿态的实验自动化程度低、人工操作复杂费时,因此针对这些问题开发了一套基于特征点测量的改进方法。主要是基于机器视觉的三维测量原理,能动态测量飞机模型的三维特征点并计算出模型的各个姿态角度。在标记检测时采用了新的标记检测方法,提高了标记布局及图像识别的灵活度;姿态角的计算是根据坐标系转换而得到的。根据改进方法研制的系统操作简单、整个测量过程只需30min左右;并且数据有效率控制在90％以上;姿态角的精度控制在±1°以内。该系统在中国空气动力研究与发展中心立式风洞中的飞机自由尾旋实验中得到了很好的应用。     

基于模糊变结构的空间飞行器姿态控制

根据空间飞行器姿态系统具有非线性、强耦合、多输入多输出的特点,对飞行器姿态模型的非线性和不确定性,提出分散模糊变结构控制方法。利用模糊系统对不确定性函数进行逼近,将获得的模糊系统函数作为系统不确定性界函数,对模糊逼近所带来的误差以及外部干扰项,采用控制补偿方法。理论分析和仿真研究表明,提出的控制方法具有姿态跟踪精度高,实时计算量小,便于工程实现等优点。     

基于势函数法的航天器自主姿态机动控制

主要研究存在禁止姿态的航天器自主姿态机动控制问题.首先,给出航天器的动力学和运动学模型,利用四元数描述航天器与机动姿态和禁止姿态的姿态偏差,用相应的欧拉转角描述不同姿态间的距离.为利用势函数完成禁止姿态回避,结合航天器的运动情况设计排斥势函数(RPF)存在条件后,根据禁止姿态最小允许夹角构造一种新的排斥势函数.接着,利...     

Local controllability and stabilization of spacecraft attitude by two single-gimbal control moment gyros

The attitude control problem of a spacecraft underactuated by two single-gimbal control moment gyros （SGCMGs） is investigated. Small-time local controllability （STLC） of the attitude dynamics of the spacecraft-SGCMGs system is analyzed via nonlinear controllability theory. The conditions that guarantee STLC of the spacecraft attitude by two non-coaxial SGCMGs are obtained with the momentum of the SGCMGs as inputs, implying that the spacecraft attitude is STLC when the total angular momentum of the whole system is zero. Moreover, our results indi- cate that under the zero-momentum restriction, full attitude stabilization is possible for a spacecraft using two non-coaxial SGCMGs. For the case of two coaxial SGCMGs, the STLC property of the spacecraft cannot be determined. In this case, an improvement to the previous full attitude stabilizing control law, which requires zero-momentum presumption, is proposed to account for the singu- larity of SGCMGs and enhance the steady state performance. Numerical simulation results demonstrate the effectiveness and advantages of the new control law.     

A concept of a spacecraft with small initial mass placed in the near-earth orbit by a laser rocket engine

A method and results of calculating the laser radiation power values necessary to place an artificial earth satellite in orbit are presented; the values depend on the initial vehicle mass, velocity of the working fluid efflux from the laser rocket engine nozzle, velocity of vehicle motion, optimal values of thrust-to-weight ratio taking into account irreversible energy losses in the rocket engine jet. The possibility of creating a spacecraft with small initial mass is substantiated. A layout scheme of the propulsive system is proposed that makes it possible to divide total laser radiation power and to use atmospheric air as a working fluid.     

长航时高精度惯导系统姿态阵的四种解算方法

高精度惯性导航系统是保证水下或水面运载体长时间安全航行及搭载的仪器设备正常工作的关键技术之一,姿态阵解算是其核心问题。通过分解姿态阵以及分别采用Euler角和四元数描述姿态参数,建立解算姿态阵的四种方法;分别对这四种方法中的姿态模型进行扰动,并研究相应线性化误差模型的精度及其影响因素;利用数值仿真法对四种姿态解算方法的结果及对应的线性化误差模型的精度进行了比较分析,结果表明:姿态阵解算分解法显著差别于整体法,采用Euler角或四元数描述姿态参数对姿态阵解算精度的影响不显著,分解法对应的线性化误差模型的精度优于整体法。     

An approach to forming the design performance of the attitude control system for small spacecraft

The elements for various types of attitude control systems used in a number of small spacecraft are considered. An approach for assessment of such system effectiveness based on design requirements for spacecraft purpose and restriction in accuracy, mass and energy is proposed.