辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控制策略

提出了圆轨道辐射开环绳系卫星编队的展开控制策略。首先采用拉格朗日方程建立了辐射开环绳系卫星编队的展开动力学模型,分析了主星姿态与绳长在展开过程的动力学耦合关系;随后以建立的动力学模型为基础,分别研究了编队在重力梯度力补偿和无补偿两种情况下的自旋展开控制策略,通过规划绳系释放速度、主星自旋角速度等变量,实现了绳系编队的有效展开;最后搭建了编队自旋展开的动力学模型,通过数值仿真对所提出的展开策略进行验证,仿真结果表明：在重力梯度力矩补偿和无补偿的情况下,所提出的展开控制策略能够保证编队稳定展开。     

磁强计数据辨识卫星自旋状态

针对近地低轨三轴稳定卫星在轨管理后期,除磁强计外其他姿态敏感器都无效情况下的姿态异常问题,分析了三轴稳定卫星失去姿态基准后,星体自旋状态下三轴磁强计测量数据的特点,提出了使用磁强计测量数据的矢量信息,以找到能够获取卫星状态的方法,从而建立了磁强计测量矢量与卫星自旋轴的几何关系,给出了处于自旋状态下的卫星自旋轴确定方法。通过此种辨识方法,获得了某气象卫星姿态异常翻转状态下的自旋矢量方向和自旋角速度,从而证明了该辨识方法快速、有效,可以作为姿态异常卫星自旋状态的辨识手段,为恢复卫星姿态提供了重要信息,具有一定的工程应用价值。     

卡尔曼滤波在自旋卫星章动控制中的应用

细长体结构卫星的自旋运动是不稳定的,章动有发散趋势,须进行实时的章动监视,且章动角的测量值包含有误差.通过引入一个离散控制过程的系统,介绍了卡尔曼滤波器的基本原理,建立了自旋卫星自旋运动简化的动力学模型,给出了运动方程和观测方程,详细地推导了适用于自旋卫星章动控制的卡尔曼滤波处理过程,利用该模型对某自旋卫星章动进行仿真计算,并对姿态章动联合控制和应急章动控制情况下的章动控制应用情况进行分析,得出结论：基于卡尔曼滤波的卫星章动角计算的方法正确、结果准确.     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

太空发电站大型柔性结构控制系统设计

太空发电站作为千米级空间超大尺度柔性结构,针对其超长梁和膜结构的三轴稳定姿态控制以及地球静止轨道的定点运行,设计了一套姿态轨道控制系统。首先运用等效简化的方法将主次桁架结构进行简化,建立了简化模型,进而利用简化模型的模态信息实现了多柔性体动力学建模。分析了大尺度柔性结构在姿态和轨道方面所受到的空间扰动,主要包括太阳光压摄动、重力梯度摄动等因素,并据此设计了以电推进器为执行机构的三轴稳定的姿态控制系统和分散式的轨道控制系统。仿真估算结果表明,控制系统能够满足姿态、轨道控制要求,但燃料消耗较大。     

采用变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态跟踪和稳定控制研究

研究以变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)为主执行机构的卫星功率/姿态一体化控制(IPACS)问题。针对卫星的三轴稳定控制和相对惯性系的姿态跟踪问题分别设计了两类自适应控制器,二者都考虑了执行机构的动力学特性,并进行了稳定性的证明。其中前者采用相对姿态描述,可以避免三轴稳定飞行中因惯性姿态旋转方向的选择而引起的控制力矩突变;后者采用改进的罗得里格斯参数(MRPs)描述姿态,简化了控制器设计过程并避免了运动学奇异。对姿态误差的描述,前者采用小姿态角假设下的偏差形式,后者采用现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵,更具有合理性。设计了能够逃离奇异、并具有轮速平衡功能的VSCMGs的操纵律,并应用磁力矩器为VSCMGs进行动量卸载。最后,通过两个算例进行了仿真,验证了所设计系统的可行性和有效性。     

基于章动原理实施推力器标定

为了保证在实施大的变轨过程中卫星的安全，必须进行推力器对偶性检验。卫星设计部门和地面工作人员根据卫星的特点，利用姿态数据及章动原理建立了一套标定推力器对称性的方法。此方法在地球同步三轴稳定卫星轨道维持过程中得到实际检验，效果良好。     

涡轮螺旋桨飞机的进动效应分析

从转子动力学的角度，分析了涡轮螺旋桨飞机螺旋桨和发动机转子进动效应对飞机飞行姿态和操纵品质的影响。阐述了螺旋桨和发动机转子转动惯量的计算方法、由进动产生的附加力矩或角速度的计算方法。     

筒式偏心在轨分离角速度抑制方法

筒式偏心在轨分离是一类特殊的在轨分离问题,小卫星偏心安装而产生的分离力矩将导致分离角速度,进而影响小卫星的分离指向精度,甚至导致释放平台姿态失稳。而常规的姿态大角速度机动、姿态快速稳定控制方法难以在小卫星出筒前的极短时间内完成分离角速度抑制。因此,进行了卫星筒式偏心在轨分离动力学分析,基于分离角速度的产生,提出了抑制分离姿态干扰的前馈控制力矩法和角速度预偏置法。在此基础上,推导了关键控制参数的近似计算公式,给出了控制量的优化求解方法,并分析了控制干扰因素对抑制结果的影响。最后,通过仿真算例分析,对比验证了两种抑制方法的有效性,并给出了其工程应用的建议。     

地球非球形对卫星轨道的长期影响及补偿研究

首先建立了地球非球形引力摄动模型,通过对地球非球形引力摄动对卫星轨道的长期影响分析发现,地球非球形引力摄动对卫星轨道升交点赤经和沿迹角的漂移量与时间成近似线性关系;然后推导了通过主动偏置半长轴和倾角的方法来补偿摄动长期影响的计算公式,设计了基于仿真的地球非球形引力摄动补偿方法;最后对GlobalStar星座卫星进行仿真与试验.结果表明,设计的补偿方法是可行的,摄动补偿后在地球非球形引力摄动作用下卫星轨道的长期稳定性得到了很好的保持.     

基于等倾角进动的自旋卫星姿态控制方法

姿态控制是自旋稳定卫星控制的基本任务之一,其控制方法有多种,本文主要针对等倾角法进行研究。首先介绍等倾角法姿态控制的基本原理,然后详细地给出姿态控制前需确定的理论执行角、实际执行次数和时延等控制量的具体计算方法,最后进行了姿态机动仿真控制。仿真结果表明,控制量的计算结果准确,控制过程的预测结果与实际控制过程一致。此方法已在多颗自旋卫星发射中得到应用和验证。     

Kalman Estimation and Control of Dual-Spin Satellites

lt is necessary to maintain the spin axis of dual-spin geostationary communications satellites with nontracking ground antennas to within 0.1 degree of the orbit normal by periodic attitude corrections. Normally, the data for attitude estimation are determined from the analog sensor waveforms telemetered to the ground station. This information is supplied to the attitude determination program, which processes the data and outputs the right ascension and declination of the spin axis. An application of the extended Kalman/ filter in estimating the attitude of dual-spin geostationary satellites is presented. The precession of the angular momentum vector by the solar radia-tion torque is considered to be the only natural attitude perturbation. The orbital dynamics are considered to be known and are decoupled from the attitude dynamics. A periodic attitude control policy is then derived.     

一种同步自旋卫星姿态控制优化方法

根据同步自旋卫星姿态的运动规律以及自旋卫星姿态的长期实测数据,建立了姿态变化规律方程,采用最小二乘方法求解姿态变化方程,实现对自旋卫星姿态预测,预测误差小于0.05..针对目前工程应用中姿态保持周期短的问题,结合姿态及轨道倾角变化规律,建立目标姿态选取的约束方程,并利用投影梯度法求解约束方程,寻求姿态保持时间长的姿态控制目标.实际应用结果表明：该方法可以延长姿态控制周期,使自旋卫星姿态保持周期达到1 a.     

Nonlinear adaptive spacecraft attitude control using solar radiation pressure

Spacecraft and interplanetary probes orbiting at high altitudes experience forces due to solar radiation pressure, which can be used for maneuvering. The question of large angle pitch attitude maneuvers of satellites using solar radiation torque is considered. For pitch axis maneuver, two highly reflective control surfaces are used to generate radiation moment. The solar radiation moment is a complex nonlinear function of the attitude and parameters of the satellite, the orbital parameters, and the deflection angles of the reflective control surfaces. It is assumed that the parameters of the satellite model are unknown. Based on a backstepping design technique, a nonlinear adaptive control law is derived for the control of the pitch angle. In the closed-loop system, the pitch angle asymptotically tracks prescribed reference trajectories. Simulation results are presented to show that the adaptive control system accomplishes attitude control of the satellite in spite of the parameter uncertainties in the system.     

Feedback linearization and solar pressure satellite attitudecontrol

The question of large angle pitch attitude maneuver of satellites using solar radiation pressure is considered. For pitch axis maneuver, two highly reflective control surfaces are used to generate radiation moment. Based on dynamic feedback linearization, a nonlinear control law is derived for large pitch attitude control. In the closed-loop system, the response characteristics of the pitch angle are governed by a fourth-order linear differential equation. Robustness of control system is obtained by the integral error feedback. Simulation results are presented to show that in the closed-loop system, attitude control of the satellite is accomplished in spite of the parameter uncertainty in the system     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

Singularity problem of control moment gyro cluster with vibration isolators

As powerful torque amplification actuators, control moment gyros (CMGs) are often used in the attitude control of many state-of-the-art high resolution satellites. However, the distur-bance generated by the CMGs can not only reduce the attitude stability of a satellite but also dete-riorate the performance of optic payloads. Currently, CMG vibration isolators are widely used to target this problem. The isolators can affect the singularity of the CMG system as they are placed between the CMGs and the satellite bus and provide additional freedoms to the CMG system due to their flexibility. The formulation of the output torque of a CMG is studied first considering the dynamic imbalance of its spin rotor and then the deformation angle as a result of the isolator’s flex-ibility is calculated. With the additional freedoms, the influence of isolator on the singularity problem is studied and a new steering logic to escape from the singular states is proposed.     

地球静止轨道自旋卫星姿态确定及控制策略

本文从工程应用的角度详尽地介绍了地球静止轨道自旋卫星姿态原理及确定方法,以我国在轨运行的风云二号卫星为例,给出了大量工程实测数据,并给出姿态控制实施策略,它们已经成功地运用到我国在轨自旋同步卫星的管理。