近距离星间相对姿轨耦合动力学建模与控制

针对在轨服务过程中近距离星间相对位置以及相对姿态精确控制的问题,考虑相对姿态与相对轨道之间的耦合作用,建立星间相对姿轨耦合动力学模型.提出编队星相对基准星进行接近绕飞的任务需求,给出相对姿态以及相对轨道的期望状态.设计相对姿态轨道联合控制算法对相对姿态和轨道进行联合控制.仿真结果表明,所设计的控制算法能够很好地抑制相对姿态与相对轨道的相互影响作用,最终实现编队星对基准星的精确指向绕飞运动.     

小卫星动平衡研究--质心不对中对姿态的影响

首先定性分析质心不对中对星体动力学特性的影响，然后由拉格朗日第二类方程导出引力场下星体运动方程的矩阵表达式，最后以50kg级长方体3轴稳定小卫星为例，分析不同初角速度和不同时间历程情况下质心不对中对星体运动姿态的影响，并分析其对星体运动稳定性的影响．本文研究为同类品种小卫星的构型设计、姿态控制系统设计以及制定卫星动平衡精度提供依据。     

一种空间目标高精度指向控制方法

针对空间动目标指向任务对卫星提出的高精度控制需求，研究了卫星星体/快反镜二级复合系统的指向控制问题，给出了一种空间运动目标高精度指向控制方法。首先，基于近圆轨道Clohessy Wiltshire方程获得追踪卫星与目标卫星的位置信息；然后，基于扩展Kalman滤波算法进行多信息融合确定追踪卫星姿态参数，并实时解算出追踪卫星载荷光轴与目标卫星的相对姿态，获得跟踪指向所需的方位角和俯仰角；最后，通过星体一级姿态控制和基于快反镜的载荷光轴二级指向控制，实现对目标卫星的快速、高精度指向。仿真结果表明，该方法可以在保证快速性的同时实现动态指向控制误差小于072″。该方法可以实现对空间目标的高精度指向控制，为未来空间中激光通信等航天任务提供技术支持。     

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

星间链路天线相对姿态的地面模拟

星间链路天线的相对姿态模拟为星间链路的测试验证提供近真实的动态姿态环境,是星间链路系统地面测试的重要组成部分。建立多个坐标系统将两颗卫星天线的位置和姿态联系起来,利用卫星星历将天线的相对姿态表示为一颗卫星天线在另一颗卫星天线坐标系中的方向向量,利用两个二轴转台实现此方向向量,最终通过控制转台的转角模拟卫星天线的相对姿态变化。同时计算天线波束的方向,分析了两颗卫星的可见性。天线相对姿态的模拟为星间链路的建立和保持提供动态测试环境。     

基于深度增强学习的卫星姿态控制方法

针对卫星在执行丢弃载荷或捕获目标等复杂任务时遭遇的姿态突然发生变化的问题,采用深度增强学习方法对卫星姿态进行控制,使卫星恢复稳定状态。具体来说,首先搭建飞行器的姿态动力学环境,并将连续的控制力矩输出离散化,然后采用Deep Q Network算法进行卫星自主姿态控制训练,以姿态角速度趋于稳定作为奖励获得离散行为的最优智能输出。仿真试验表明,面向空间卫星姿态控制的深度增强学习算法能够在卫星受到突发随机扰动后稳定卫星姿态,并能有效解决传统PD控制器依赖被控对象质量参数的难题。所提出的方法采用自主学习的方式对卫星姿态进行控制,具有很强的智能性和一定的普适性,在未来卫星执行复杂空间任务中的智能控制方面有着很好的应用潜力。     

利用摆动地球敏感器两个探测器输出的姿态确定

摆动地球敏感器是地球同步通信卫星控制系统的重要部件。这种敏感器主要用于卫星的姿态测量,测量量作为控制系统的输入信号计算控制输出量。摆动地球敏感器有4个探测器,目前在轨卫星的基本使用方法均为至少使用3个探测器的测量信息进行姿态确定。本文给出了使用2个探测器测量确定卫星姿态的计算方法,并结合实际情况给出了使用策略。这种姿态确定方法大大拓宽了地球敏感器的使用范围,增加了地球敏感器的冗余性,延长了部件的使用寿命。     

基于LightGBM的卫星飞轮温度预测

为保障卫星的正常在轨运行,地面系统需要对卫星运行状态进行监控预警,其中对卫星各系统的温度监控尤为重要.温度不仅直接反映卫星系统的健康状态,更会对系统器件的性能和寿命造成影响.飞轮作为卫星姿态控制系统的重要组件,其温度变化是识别姿态控制系统状态的重要信息.卫星飞轮温度的预测与预警对卫星在轨稳定运行具有重要意义.本文基于某在轨卫星遥测数据,结合空间环境数据,应用LightGBM机器学习框架研究建立梯度提升决策树模型,对卫星飞轮温度进行预测.经与实际遥测温度值进行对比验证,预测精度可以满足对卫星飞轮温度的监视需求.研究结果可应用于地面系统,对卫星姿态控制系统可能发生的温度异常进行预警,使地面运控人员能够提前规避风险,保障卫星的安全在轨运行.      

基于代码自动生成的空间交会GNC系统仿真平台

空间交会对接GNC系统涉及目标器和追踪器两个航天器的姿态轨道控制,其数学仿真比一般的卫星更复杂.给出一种轨道动力学、姿态动力学、相对动力学、测量及执行部件等仿真模型的规范化方法,并在此基础上,提出一套基于代码自动生成技术的空间交会对接GNC仿真平台,该平台的模块化和自动化程度高、软件的可读性和通用性强,实现了两个航天器的快速规范化仿真,显著提高了研究人员的工作效率,为空间交会GNC系统的设计和仿真提供了良好的支持.     

Time suboptimal formation flying manoeuvres through improved magnetic charged system search

The development of fast and reliable optimization algorithms is required in order to obtain real-time optimal trajectory on-board spacecraft. In addition, the wide spread of small satellites, due to their low costs, is leading to a greater number of satellite formations in space. This paper presents an Improved version of the Magnetic Charged System Search (IMCSS) metaheuristic algorithm to compute time-suboptimal manoeuvres for satellite formation flying. The proposed algorithm exploits some strategies aimed at improving the convergence to the optimum, such as the chaotic local search and the boundary handling technique, and it is able to self-tune its internal parameters and coefficients. Moreover, the inverse dynamics technique and the differential flatness approach, through the B-splines curves, are used to approximate the trajectory. The optimization procedure is applied to the circular J2 relative model developed by Schweighart and Sedwick and to the elliptical relative motion model developed by Yamanaka and Ankersen. The results of this paper show that the convergence is better achieved by using the proposed tools, thus proving the efficiency and reliability of the algorithm in solving some space engineering problems.     

联合CDGPS技术和星间相对测量进行编队星座状态确定

以空间圆3星编队星座为对象,建立了联合GPS载波相位差分(Carrier phase Differential GPS,CDGPS)和星间相对测量进行编队星座状态确定的数学模型;利用高精度的星间相对测量信息给星间公里级基线提供厘米级约束,极大地缩小了星间单差模糊度的搜索空间,进而在卫星无需机动的情况下采用Bayes最小二乘法快速解算出星间GPS载波相位单差整周模糊度;最后数学仿真证明了方法的有效性,结果表明卫星间相对位詈确定精度达10^-2m．卫星姿态确定精度达10^-3rad．     

组合体航天器智能协同姿态控制研究

组合体航天器在姿态机动过程中的各单体卫星承受的控制力是不均匀的，局部控制力过大将会导致组合链接断裂而失效。应用多体动力学理论建立了组合体航天器间的相互作用模型，对内力、内力矩与整星姿态、控制力矩之间的关系进行了分析；仿真了极端情况下的内力矩分布，其大小可能超过常用对接机构的力矩承受范围；采用粒子群算(PSO)法对控制合力矩进行优化分配，通过预设初值和继承初值来加快PSO算法的收敛速度，实时调整各星控制力矩分配比例，减小星间相互作用力，实现组合体航天器的智能协同控制，保证组合体航天器的连接铰不因受力过大而损坏。算法仿真和Adams软件验证分析表明，本文建立的相互作用模型可准确计算出星间相互作用力，提出的智能协同姿控算法可显著降低姿控过程中的星间内力，确保组合体航天器的安全。     

卫星姿态大角度机动的轨迹规划和模型预测与反演控制

空间科学观测、态势感知、对地遥感、操控服务等应用对卫星提出了高精度、高稳定度、平稳柔顺大角度姿态机动的需求。采用欧拉角形式,对时变、非线性卫星姿态动力学系统进行了分析与建模,将每一个测控周期视为一个姿态机动过程。基于动力学系统受控运动的规律,在每一个姿态跟踪机动过程中,预测姿态偏差,通过卫星姿态演化的反演得到控制指令。以三角函数为基础,设计了一种卫星姿态大角度机动的运动轨迹规划方法。本文所述的轨迹规划及控制方法具有轨迹跟踪精度高、稳定性好,跟踪和机动过程平稳柔顺的特点。数学仿真验证了该方法的可行性和有效性。 关键词：轨迹规划; 模型预测与反演控制; 卫星姿态; 大角度机动     

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。      

天体对卫星红外地球敏感器干扰的研究

我国在轨运行的卫星多次因红外地平仪受天体的干扰而出现姿态异常的情况．本文介绍了各种红外地平仪工作原理，分析了它们受干扰的原因，给出了精确预报的方法，并在此基础上提出了相应的抗干扰措施，有些已成功运用到在轨运行的卫星上。     

MEO导航卫星在轨放气产生的干扰力矩研究

摘要： 针对多颗MEO导航卫星太阳翼展开后产生比较明显的干扰力矩，对卫星稳定控制产生了一定影响的现象，本文根据动力学模型、姿态、角速度和飞轮转速变化，给出了干扰力矩计算方法，并结合多颗卫星在轨遥测数据进行计算，得出放气期间产生的干扰力矩.通过使用此干扰力矩进行仿真得出，卫星模拟器结果和在轨表现基本一致.此研究有助于优化卫星飞控流程，并指导卫星放气孔设计.     

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.     

2-SGCMGs与磁力矩器的对地姿态混合控制方法

针对故障后仅剩两单框架控制力矩陀螺(SGCMG)可工作的对地定向三轴稳定卫星姿态控制问题进行了研究,提出了2-SGCMGs系统与磁力矩组合的混合控制策略及方法,以克服两SGCMG欠驱动控制的鲁棒性问题.首先,给出2-SGCMGs零动量方式的标称框架角构型选择计算过程.然后,结合标称框架角构型,构造了一种不同于沿传统体轴...     

液化气体推进剂在微小卫星推进系统中的应用

随着微小型卫星的发展,液化气推进系统成为了此类航天器推进系统的选择。目前,国内外常用的液化气推进剂有一氧化二氮、丁烷、丙烷、氨等。本文对液化气推进剂的发展历史和研究现状进行了综述,对液化气推进系统在应用中面临的技术问题进行了分析,并在综合考虑各项因素的情况下,推荐采用一氧化二氮作为微小卫星液化气推进系统的推进剂。