星上转动部件对卫星姿态的影响分析及补偿控制

研究了考虑有效载荷运动部件干扰时三轴稳定卫星的姿态控制。由卫星有效载荷转动部件运动规律建立了转动部件和挠性太阳帆板的动力学模型,根据干扰力矩的特点,提出了一种通过设定角动量交换系统标称值条件对卫星进行控制,以及抑制变速转动部件引起卫星本体姿态扰动的前馈控制的方案。仿真结果表明,该控制方案可有效消除星内外干扰力矩对姿态控制精度的影响,卫星的指向精度优于0.2°。     

帆板驱动影响下的卫星姿态高精度高稳定度控制

受步进电机驱动作用,太阳帆板对日定向时卫星姿态受到影响。本文针对帆板驱动不平稳引起的同卫星姿态耦合干扰,提出了一种卫星姿态稳定和太阳帆板对日定向的复合控制方法。卫星姿态稳定采用自抗扰控制器,以估计补偿由帆板驱动和系统不确定性引起的干扰,并在此基础上,设计了步进电机自适应电流补偿驱动器,以克服帆板驱动机构摩擦力矩和谐波力矩影响。仿真结果表明,该方法能大大提高卫星姿态控制精度和稳定度,同时还改善了帆板对日定向的精度。
     

基于前馈补偿的高精度卫星姿态控制

研究带有大型单翼太阳帆板的三轴稳定卫星在稳态运行期间姿态精确定向问题。计算了卫星运行空间的环境干扰力矩，分析了传统控制方法的局限性，并给出一种新的卫星姿态高精度动态补偿控制算法。推导了卫星的挠性动力学模型，在此基础上通过仿真比较了此方法和传统方法的实际效果。结果表明，该方法可以显著提高姿态控制的响应速度和精度。     

带挠性帆板的太阳同步轨道卫星的姿态动力学模型

本文研究一颗带固定的对称挠性帆板的太阳同步极轨道三轴稳定卫星的姿态动力学问题。首先给出考虑太阳帆板挠性影响时,卫星姿态动力学方程的一般形式。然后,在计入太阳帆板弯曲振动和扭转振动的情况下,导出了经线性化处理后的姿态动力学模型,并给出了所忽略的非线性项的计算公式。最后得到便于分析和设计卫星姿态控制系统的解耦形式的无量纲姿态动力学方程。     

一种高稳定度帆板驱动系统的T-S模糊复合控制器

为减少帆板驱动机构（SADA）对太阳帆板挠性模态的激励作用,以扰动力矩较小的永磁同步电机(PMSM)作为驱动源,提出一种T-S模糊控制与校正网络相结合的控制方法。利用校正网络增加系统的相位裕度和增益,并通过T-S模糊控制器降低系统的超调和非线性摩擦的影响,从而有效抑制太阳帆板的振动。通过圆判据对带有此控制器的驱动系统进行了稳定性证明,很好地解决了模糊控制系统在摩擦扰动下难以进行频域理论分析的缺陷。仿真结果表明,在非线性摩擦等扰动的影响下,该控制方法能够很好地抑制太阳帆板引起的挠性振动,提高系统的速度精度和稳定度,具有较好的动态性能。     

卫星多轴指向姿态控制全物理仿真实验研究

具有大型天线和大面积太阳帆板的多体卫星多轴指向控制技术是航天器控制的关键技术之一,针对这一问题,设计了“前馈+变结构”方案控制卫星本体,天线指向控制根据任务要求结合本体姿态产生,形成本体与天线多轴指向控制方案。基于常用的“飞轮—喷气”执行机构模式,考虑了控制精度和喷气消耗量问题。利用带有大型挠性板与程控天线系统的单轴气浮台物理仿真实验系统,成功地进行了卫星多轴指向控制物理仿真实验,本体姿态控制精度达到0.020,天线指向精度达到0.50。该研究对多轴指向卫星控制系统设计具有实际参考价值。     

挠性卫星的变结构控制方案研究

本文以具有挠性太阳帆板的卫星为工程背景，在考虑了诸多实际因素的情况下着重研究了挠性空间结构的低阶模型变结构控制方案。基于卫星上常见的“飞轮—喷气”执行机构模式设计了算法简单的控制律，并对相应的控制系统进行了稳定性和鲁棒性分析，最后给出了数字仿真结果     

模糊神经网络控制器在卫星姿态控制系统中的应用

现代卫星的姿轨控制面临着挠性附件对本体姿态的耦合作用。本文将卫星太阳帆板挠性结构对本体姿态的影响增广进系统方程 ,在PID控制器控制刚体卫星的基础上 ,设计了模糊神经网络控制器 ,采用反向传播和最小方差估计的学习方法进行模糊规则的学习 ,仿真表明 ,模糊神经网络特有的学习和处理定性与定量知识的优点 ,将使卫星姿态在参数变化与外部干扰情况下具有较好的姿态稳定度与精度。     

考虑太阳帆板指向的编队卫星相对姿态跟踪控制

编队飞行一种应用是受控卫星对目标卫星跟飞或者绕飞,有效载荷指向目标卫星以执行各种任务。研究了太阳帆板固定的卫星姿态控制,在保证有效载荷始终指向目标卫星的前提下,使得太阳帆板尽可能朝向太阳。给出了太阳帆板法线与太阳光夹角最小的几何条件。采用四元数状态反馈的控制律实现了姿态跟踪,仿真结果检验了控制律有效性及太阳帆板朝向太阳的效果。     

轨道快速机动期间的姿态鲁棒稳定控制方法研究

根据挠性充液航天器刚液柔强耦合、变参数及模型不确定的特点,研究了一种神经网络输出变结构控制算法.根据该算法提出了轨道快速机动卜的姿态控制方案,设计了控制系统并对干扰力矩、模型不确定性等工况进行了仿真.仿真结果表明在发动机干扰力矩和模型不确定情况下.系统能够快速稳定到要求的精度.所设计的系统具有较强的鲁棒性,能够抑制挠性附件振动和液体晃动的影响.     

NanoSail-D: A solar sail demonstration mission

In the early to mid-2000s, NASA made substantial progress in the development of solar sail propulsion systems. Solar sail propulsion uses the solar radiation pressure exerted by the momentum transfer of reflected photons to generate a net force on a spacecraft. To date, solar sail propulsion systems were designed for large robotic spacecraft. Recently, however, NASA has been investigating the application of solar sails for small satellite propulsion. The NanoSail-D is a subscale solar sail system designed for possible small spacecraft applications. The NanoSail-D mission flew on board the ill-fated Falcon Rocket launched August 2, 2008, and due to the failure of that rocket, never achieved orbit. The NanoSail-D flight spare is ready for flight and a suitable launch arrangement is being actively pursued. This paper will present an introduction solar sail propulsion systems and an overview of the NanoSail-D spacecraft.     

Single-Axis Solar Orientation of a Satellite of the Earth

The possibility of using the mode of single-axis solar orientation is considered for a satellite placed into a nearly circular orbit with an altitude of 900 km and bearing a solar sail. The satellite (together with the sail) has an axisymmetric structure, its symmetry axis being the principal central axis of the maximum moment of inertia. The center of the sail pressure lies on this axis and is displaced with respect to the satellite's center of mass. The symmetry axis of the satellite is set to the Sun so that its center of mass would be located between the Sun and the pressure center and would rotate around this axis with an angular velocity of a few degrees per second. The satellite's axis of symmetry makes a slow precession under the action of the gravitational moment and the moment of light pressure forces. Though the maximum magnitudes of these moments are comparable, the moment of the light pressure forces dominates and controls the precession in such a way that the symmetry axis orientation to the Sun remains unchanged.     

Estimation of residual microaccelerations on board an artificial earth satellite in the monoaxial solar orientation mode

The mode of monoaxial solar orientation of a designed artificial Earth satellite (AES), intended for microgravitational investigations, is studied. In this mode the normal line to the plane of satellite’s solar batteries is permanently directed at the Sun, the absolute angular velocity of a satellite is virtually equal to zero. The mode is implemented by means of an electromechanical system of powered flywheels or gyrodynes. The calculation of the level of microaccelerations arising on board in such a mode, was carried out by mathematical modeling of satellite motion with respect to the center of masses under an effect of gravitational and restoring aerodynamic moments, as well as of the moment produced by the gyrosystem. Two versions of a law for controlling the characteristic angular momentum of a gyrosystem are considered. The first version provides only attenuation of satellite’s perturbed motion in the vicinity of the position of rest with the required velocity. The second version restricts, in addition, the increase in the accumulated angular momentum of a gyrosystem by controlling the angle of rotation of the satellite around the normal to the light-sensitive side of the solar batteries. Both control law versions are shown to maintain the monoaxial orientation mode to a required accuracy and provide a very low level of quasistatic microaccelerations on board the satellite.     

IKAROS太阳帆的关键技术分析与启示

分析了国外太阳帆的发展现状,重点论述了世界上首次成功飞行的太阳帆——太阳辐射驱动星际风筝航天器（IKAROS）的总体设计、材料设计、空间展开和姿态控制等关键技术,以及中国开展太阳帆和空间大型展开结构的总体设计、空间展开、姿态控制、空间环境适应性等关键技术,提出了系统开展以太阳帆为代表的大型轻质展开结构研制与应用的建议。     

利用太阳帆定点探测器在地一月系共线平动点附近的探讨

共线平动点附近的运动仅仅是条件稳定的,探测器的轨道需要经过控制才能维持在其附近.以地-月系11点和12点附近大振幅晕轨道的控制为例,探讨了太阳帆在定点这类探测器中的应用.首先,考虑了月球轨道的偏心率和太阳辐射的影响,给出了太阳帆对日定向的探测器轨道的低阶分析解,并在此基础上构造了在太阳系真实引力模型下一段时间内维持在共线平动点附近的拟周期轨道.然后,给出了两种利用太阳帆的控制方案,一是固定面质比而改变太阳帆法线的方向,另一是固定太阳帆对日定向而改变面质比,并对两种方案分别作了数值模拟.最后,文章探讨了测控误差及地、月影对轨道控制的影响.     

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。     

Elimination of relative secular drift of orbits of two satellites caused by polar oblateness of the Earth

A method of elimination of relative secular drifts in satellite formations is suggested for the case of influence of a perturbation due to polar oblateness of the Earth. The method is applied to eliminate relative secular drifts in the case when a satellite is controlled using an engine mounted along its orientation axis (the satellite is supplied with a passive magnetic attitude control system) and with the help of a solar sail installed on one of the satellites. Analytical results are confirmed by numerical simulation.     

偏置动量卫星东西位置保持策略优化方法

针对偏王动量卫星的特点,提出了一种偏置动量卫星东西位置保持策略优化方法.根据单自由度轮控系统的控制方式、角动量管理的控制方法,以及角动量管理对卫星轨道的影响,基于动量轮转速的变化建立了推力器喷气效率、轨道元素变化量计算模型,提出了可延长东西位置保持周期的轨道控制优化策略.实际轨控任务应用结果表明方法控制效果良好.     

太阳帆结构分析

太阳帆是人类向太空发射的一种宇宙探测器。本文推导建立了太阳帆结构分析的理论方程组；利用数值计算方法进行了全结构分析；采用罚函数法，确定了满足各种技术条件下的转速及辐条长度之间的可用范围；同时，在引入某些假设的前提下，得出了方程组的近似理论解。它们为太阳帆强度分析、结构形状保持能力提供了论理基础，也为太阳帆的设计提供了依据。本文最后提供了某实际发射的太阳帆结构的分析结果。本文的分析手段可作为大型柔性结构分析的参考     

CE-4中继卫星使命轨道维持与动量轮卸载联合控制方法

针对嫦娥四号中继卫星动量轮频繁喷气卸载对其使命轨道Halo轨道的扰动问题，定性分析了卫星角动量累积规律和动量轮卸载对使命轨道构型的影响，给出了动量轮卸载前后角动量变化量与喷气卸载等效速度增量的关系，在角动量卸载预测的基础上，提出了一种使命轨道维持与动量轮卸载联合控制方法，通过偏置维持控制目标抵消控后动量轮卸载影响，达到延长轨道维持控制周期和节省推进剂的目的，给出了控制目标偏置量的求解方法。工程应用结果验证了方法的有效性。