基于音圈式Stewart平台的零刚度卫星复合姿态控制研究

针对扰动及卫星本体振动传递对高精度载荷姿态控制的影响,研究了基于音圈式Stewart隔振平台的零刚度超静卫星及其姿态控制问题。利用音圈作动器在电磁作用原理下存在结构间隙的特点,实现卫星载荷舱与本体舱结构非接触,理论上完全隔离振动。围绕该零刚度卫星两舱非接触引发的姿态控制难题,综合滑模控制强抗干扰能力和动态逆控制形式简明的特点,提出了鲁棒复合控制律,可弥补滑模控制律等效控制过于繁琐和动态逆控制器鲁棒性的不足,并证明了在该控制器作用下不确定动态系统的闭环稳定性。建立了载荷舱和本体舱的动力学与运动学模型,基于两舱相对动力学和运动学关系的分析,设计了载荷舱高精度高稳姿态控制和本体舱精确跟踪姿态控制律,证明了复合控制律的有效性。仿真结果表明:该零刚度卫星能实现较高的姿态控制精度,验证了所提算法的可行性及潜在的应用价值。     

敏捷SAR卫星平台载荷一体化控制方法研究

面向具备波束指向捷变能力的小型化敏捷合成孔径雷达(SAR)卫星成像需求,提出了通过平台姿态敏捷机动和载荷波束捷变扫描一体化控制实现条带成像、多条带拼接成像、滑动聚束成像等传统成像模式的方法。针对配合成像过程提出的大角度机动和高精度高稳定度连续指向跟踪控制要求,采用5个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成的"五面锥"构形控制力矩陀螺群作为执行机构,设计了基于姿态四元数和角速度反馈的改进型递阶饱和控制器,实现了平台的敏捷机动和对目标的稳定跟踪指向。数学仿真结果表明:该控制系统有效可行。     

关于主星带伴随分布式小卫星雷达系统的姿态跟踪控制研究

波束指向同步是主星带伴随分布式小卫星雷达系统必须解决的问题之一.主星为补偿多普勒频移而进行的姿态导引会导致地面目标点相对位置漂移,针对这一现象,伴随分布式小卫星应进行姿态控制与主星协同,为保证姿态控制器在外界扰动和参数不确定情况下有效工作,分别设计了自适应姿态机动控制律和姿态跟踪控制律.仿真结果表明,姿态控制器可以有效实现姿态机动和跟踪,控制精度能够满足波束指向同步的要求.     

三体随动跟踪式重力卫星姿态与无拖曳控制方法

采用非接触洛伦兹力执行器代替微推进系统,提出一种“质量块—载荷舱—平台舱”三体随动跟踪式重力卫星总体架构,避免传统低低跟踪重力场测量卫星设计中的质心波动与执行机构带来的动力学不确定性影响。其次,建立了该架构下的卫星姿轨耦合动力学模型,并在此基础上针对动力学非线性耦合项的影响,构建了一种基于带宽参数化自适应补偿的复合自抗扰控制方法,提升姿态与无拖曳控制性能。最后,采用数学仿真验证了所提出的重力卫星总体架构及其控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法有效提升了系统的频域性能。     

编队卫星姿态的自适应协同控制

研究了无向信息交互条件下的多卫星姿态同步和跟踪问题,分别在模型参数精确已知和存在模型参数不确定性的情形下设计分散式协同控制算法。当模型参数精确已知时,基于滑动模态变量设计的协同控制力矩,实现了编队卫星姿态的同步机动,即保证编队卫星姿态的同步,并同时跟踪期望的时变参考姿态轨迹。当在轨卫星存在模型参数不确定性和常值未知扰动力矩时,提出了一种自适应协同控制律,仍能实现多卫星姿态的同步机动。基于Lyapunov-Krasovskii的分析表明,当星间链路存在任意未知的定常通讯时延时,本文设计的控制器有效。数值仿真算例验证了本文提出的控制算法。     

基于四元数的偏流角跟踪与条带拼接成像研究

根据小卫星星载相机存在后视角或安装相机摆镜导致相机实际光轴无法与星体主轴平行的状况,为避免用欧拉角时的姿态解算与转序问题,提出了一种基于四元数的卫星偏流角跟踪与条带拼接成像姿态控制方法。用四元数描述卫星姿态,根据相对轨道系目标四元数,绕相机光轴转动偏流角,以此作为成像模式目标四元数,实现绕空间轴的偏流角跟踪控制。给出了姿态规划算法:固定偏置姿态确定偏流角跟踪后的目标姿态和目标角速度,用迭代法提高偏流角控制精度,并在姿态机动过程开始即进行偏流角跟踪,保证姿态机动到位和高精度偏流角跟踪的同时实现。基于内干扰力矩前馈方法设计了姿态机动控制律。以同轨双条带拼接成像为例,给出了成像控制方法:在对日或对地定向基础上,计算偏置目标姿态和目标角速度,并调用姿态机动控制算法;姿态机动到位后,若需当轨完成多目标姿态机动,则用姿态机动控制算法保持姿态偏置飞行和偏流角跟踪控制。数学仿真结果验证了该算法的有效性和高精度。     

卫星机动过程成像的姿态规划与控制研究

对有星载相机的卫星机动过程成像的姿态规划与控制进行了研究。为避免目标姿态的任意性产生的控制转序问题,用四元数描述偏流角跟踪控制。从用户角度出发,提出了两种适于机动过程成像的姿态规划模式:一是指定星体相对轨道系摆扫角速度,通过设定摆扫方向与卫星飞行方向成任意角度,可实现任意方向摆扫成像,另一是指定成像点经纬度条带,可实现海岸线等地面目标成像。在摆扫规划姿态的基础上,将绕相机光轴转过经迭代计算的偏流角作为最终的姿态控制基准,给出了高动态姿态机动控制算法。引入陀螺角速度信息以提高滚动姿态机动过程中的动态特性;将星体当前姿态与目标姿态偏差四元数作为姿态控制基准以实现任意姿态最短路径机动;以飞轮作为姿态控制执行机构,设计PD控制律,在机动过程中对内干扰力矩进行前馈控制。仿真结果验证了所提算法的有效性和工程可操作性,可用于对地成像小卫星机动过程成像的姿态规划与控制。     

具有SGCMG系统的挠性卫星姿态机动控制及验证

针对挠性卫星在轨姿态快速机动的需求，开展了星体姿态机动控制方法及控制实现研究。基于建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程，给出了PD控制与补偿控制相结合的姿态跟踪控制器形式；考虑系统实现的时延影响，利用经典频率分析方法选择了兼顾系统稳定性及宽带控制的控制参数；在控制具体实现中，采用一种新型的基于力矩矢量调节奇异规避操纵策略，克服常规鲁棒奇异规避操纵存在的框架“锁死”现象，在解决奇异规避的同时避免激发挠性振动。所提出方法的有效性通过了在轨验证。     

基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制

根据磁力矩在地磁场中的定向阻尼特性，提出了磁控重力梯度和有阻尼器的非重力梯度卫星姿态控制律。给出了卫星姿态运动方程，并证明采用两种方法控制卫星姿态的稳定性。根据地磁场强度变化规律选择控制系数。理论分析和仿真结果表明，基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制方法简单、精度较高。     

与非合作目标编队的相对姿态控制

针对非合作目标卫星编队飞行过程中,根据任务需要受控卫星保持指目标卫星。为了跟踪目标姿态,提出了一种相对姿态控制方法。该算法只需测量目标的相对位置,通过计算得到目标姿态。然后设计了相对角速度观测器,得到相对角速度,通过跟踪控制器实现无误差姿态跟踪。完整相对姿态控制任务包括姿态机动和姿态跟踪两部分,因此设计了混合控制器实现被控星的姿态机动和对目标姿态的动态跟踪。数值仿真结果表明该方法可以实现对运动目标的无差快速跟踪。     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求，提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法，采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法，并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中，实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求，具有工程实用性。     

Application of SDRE technique to orbital and attitude control of spacecraft formation flying

This paper proposes the application of a nonlinear control technique for coupled orbital and attitude relative motion of formation flying. Recently, mission concepts based on the formations of spacecraft that require an increased performance level for in-space maneuvers and operations, have been proposed. In order to guarantee the required performance level, those missions will be characterized by very low inter-satellite distance and demanding relative pointing requirements. Therefore, an autonomous control with high accuracy will be required, both for the control of relative distance and relative attitude. The control system proposed in this work is based on the solution of the State-Dependent Riccati Equation (SDRE), which is one of the more promising nonlinear techniques for regulating nonlinear systems in all the major branches of engineering. The coupling of the relative orbital and attitude motion is obtained considering the same set of thrusters for the control of both orbital and attitude relative dynamics. In addition, the SDRE algorithm is implemented with a timing update strategy both for the controller and the proposed nonlinear filter. The proposed control system approach has been applied to the design of a nonlinear controller for an up-to-date formation mission, which is ESA Proba-3. Numerical simulations considering a tracking signal for both orbital and attitude relative maneuver during an operative orbit of the mission are presented.     

带柔性伸杆小卫星振动控制的半物理仿真实验

在空间探测任务中,为了避免卫星平台剩磁对空间待测信息的干扰影响,需采用轻质的伸杆机构支撑各类探测载荷远离卫星本体,而伸杆的弹性振动不可避免地会耦合作用到卫星本体,从而降低卫星本体的姿态控制精度和稳定度。针对此问题,提出了一种基于伸杆最优指令整形结合本体自适应扰动抑制滤波器的复合振动控制策略,即采用指令整形技术抑制柔性伸杆的弹性振动,同时设计自适应扰动抑制滤波器进一步抵消柔性伸杆残余振动对本体的干扰影响,最后在搭建的半物理仿真实验平台上对控制方法进行了实验验证。结果表明：此方法在有效抑制柔性伸杆残余振动的基础上,通过干扰抵消和抑制的控制策略可显著提高此类航天器的姿态控制精度和稳定度。     

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态机动最优路径规划

针对应用变速控制力矩陀螺VSCMG为姿态控制执行机构的微小卫星，提出了一种姿态机动最优路径规划方法。从冗余金字塔构型VSCMGs系统的姿态机动任务和考虑VSCMGs系统故障失效的姿态机动任务两类问题出发，综合考虑VSCMG在实际工程应用中的各种约束条件(框架角约束、框架角速度约束、转子转速约束和奇异度量约束等)以及充分发挥VSCMG的力矩输出优势，采用Gauss伪谱法规划了相应性能指标最优的姿态机动最优路径。仿真结果表明设计的应用VSCMG的航天器姿态机动最优路径规划算法能够满足提出的约束条件和最优路径规划策略，可以顺利完成航天器姿态机动任务。而且相比于传统的VSCMGs系统操纵律，设计的算法具有更高的实用性和有效性。     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

低轨对地凝视卫星姿态控制

研究了低轨航天器执行对地观测任务时对地凝视观测的姿态控制。根据刚体动力学导出基于误差四元数和误差角速度的动力学与运动学方程,设计了一变结构控制律。仿真结果表明:在对地凝视的姿态控制过程中,设计的控制方法响应速度快于传统控制方法,对卫星转动惯量摄动及外部干扰的鲁棒性较佳。     

Distributed attitude synchronization of formation flying via consensus-based virtual structure

This paper presents a general framework for synchronized multiple spacecraft rotations via consensus-based virtual structure. In this framework, attitude control systems for formation spacecrafts and virtual structure are designed separately. Both parametric uncertainty and external disturbance are taken into account. A time-varying sliding mode control (TVSMC) algorithm is designed to improve the robustness of the actual attitude control system. As for the virtual attitude control system, a behavioral consensus algorithm is presented to accomplish the attitude maneuver of the entire formation and guarantee a consistent attitude among the local virtual structure counterparts during the attitude maneuver. A multiple virtual sub-structures (MVSSs) system is introduced to enhance current virtual structure scheme when large amounts of spacecrafts are involved in the formation. The attitude of spacecraft is represented by modified Rodrigues parameter (MRP) for its non-redundancy. Finally, a numerical simulation with three synchronization situations is employed to illustrate the effectiveness of the proposed strategy.     

Design,modeling and control for a stratospheric telecommunication platform

The stratospheric airship provides a unique and promising platform for broad band telecommunication relay missions, which combine the advantages of both terrestrial and satellite communication. In this paper, the conceptual design, dynamics modeling and attitude control of the stratospheric telecommunication platform are presented. First, the stratospheric telecommunication platform is introduced, including conceptual design, configuration, energy sources, propeller and payload. Second, dynamics model of the platform is derived form the Newton–Euler formulation and the station-keeping attitude control problem is formulated. Then, the adaptive fuzzy sliding mode control scheme is proposed to develop the attitude-tracking control system, with a particular focus on parametric uncertainties and external disturbances. Finally, simulation results verify the effectiveness and robustness of the proposed control scheme. The proposed conceptual design and control scheme provide a promising approach for telecommunication relay missions using the stratospheric station-keeping airship.