基于IGRF地磁场模型的航天器地磁干扰力矩数值仿真

航天器长期在轨运行期间,空间磁场与其自身磁矩相互作用的累积,会对航天器的姿态造成较大影响,加重姿态控制系统负担,降低航天器的可靠性。文章分别针对航天器轨道计算及地磁场模型的使用,对航天器地磁干扰力矩数值的仿真进行了系统的研究,最终得到航天器在轨运行时地磁干扰力矩计算仿真方法。     

纯磁控微小卫星的姿态捕获控制研究

针对纯磁控微小卫星姿态捕获问题,提出了一种基于姿态角和姿态角速度反馈的磁
矩能量控制律。利用Matrosov定理证明了该控制律具有一致渐近稳定性,能够保证星体最终
稳定到唯一的零轨道姿态角平衡位置。结合某在研低轨纳星,分析了气动力矩作用下星体大
角度姿态捕获的纯磁控性能。仿真结果表明,所设计的能量控制律具有一致渐近稳定特性,
考虑气动力矩影响时可在一个轨道周期内完成纳星姿态捕获,控制精度较高。该控制律具有
较好的工程应用前景,对于低成本微小卫星的研制是一个有益的探索。     

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。     

“Furoshiki satellite” - a large membrane structure as a novel space system

We have been studying a large membrane space structure named “Furoshiki Satellite,” as a promising candidate of a future space system for those missions requiring large area in space such as solar power generation, a large communication antenna, or a large radiator. This membrane is folded in a very small volume during launch and is deployed and controlled by a set of several satellites at its corners or using centrifugal force generated by rotating the central satellite. It is expected that such a structure will reduce the weight per area of the space structure and, if the control technology is properly applied, it can be efficiently folded during launch and easily deployed after release. This paper shows the concept of Furoshiki Satellite, its applications, and its dynamics on orbit and how to control it. A nano-satellite project on demonstrate the concept of Furoshiki Satellite will also be described briefly.     

采用观测器的偏置动量小卫星姿态容错控制

针对偏置动量小卫星的自主飞行问题，提出一种基于不确定项观测器的滑模容错控制方法。应用欧拉-拉格朗日系统的干扰观测方法设计不确定项观测器，对动量轮输出力矩变小、磁力矩器线圈电阻漂移等执行器故障以及小卫星外部环境力矩等不确定项进行估计，理论推导证明该观测器的观测误差一致最终有界(UUB)。基于不确定项观测器的估计值，设计补偿控制项，并与滑模控制器的控制力矩合成实现姿态容错控制。从理论上证明该容错控制方法能够使小卫星姿态快速收敛至滑模面。该容错方法无需做小角度假设，对执行器运行状态信息依赖性低。仿真结果表明，本文建议的容错控制方法具备可行性，实现了对小卫星姿控系统中不确定项的观测估计和容错控制。     

高分辨率敏捷卫星颤振对成像的影响分析方法

高分辨率敏捷卫星在轨姿态机动成像过程中,姿态控制执行机构的控制力矩陀螺（Control Moment Gyro, CMG）在正常工作时会产生附加的扰动力和扰动力矩,经振动传递,造成相机内部敏感光学元件之间的相对运动,从而对图像品质造成影响。为了研究 CMG 颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响,文章采用集成建模分析方法,构建包括扰动、结构、控制、光学在内的颤振集成模型。以某型号空间相机为研究对象,对此相机的动力学特性和光学系统敏感度进行了分析,得到相机敏感光学元件的振动响应,以及颤振在相机焦面产生的像移,研究了CMG颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响分析方法,可为其他类型颤振的影响分析提供参考。     

基于自抗扰技术的挠性航天器高精度指向控制

针对存在外部干扰和模型不确定性的挠性航天器,提出了一类新颖的基于自抗扰技术的控制方案,实现无姿态角速度反馈的航天器对目标高精度姿态指向控制。对目标相对姿态指向控制系统进行建模,引入一光滑连续秦函数,构造三阶扩张观测器,观测系统姿态角速度和总扰动,并利用其实现动态补偿线性化及扰动抑制。针对单框架控制力矩陀螺群作为执行机构常存在的奇异,引入零空间空转指令设计了一类奇异避免操纵律。将控制系统方案用于某挠性航天器模型,仿真结果验证了方案的有效性、合理性。     

空间环境探测卫星用磁强计误差分析及在线标定

用于探测日地空间磁环境的磁强计多数安装在伸杆的末端,长期受太阳辐射等空间环境干扰力矩以及机动等影响,磁强计安装矩阵随时间发生较大的变化,从而导致卫星定姿精度下降。为此,在分析空间环境干扰力矩和磁强计定姿误差特性的基础上,建立了19维高精度的磁强计误差模型,结合卫星的运动学和姿态动力学特性,采用EKF滤波方法对安装矩阵进行实时估计与修正补偿,并利用该磁强计模型实现卫星的姿态确定,最后利用实验进行验证。实验结果表明,该方法能够在满足星载计算机的计算量要求的同时,在线估计安装矩阵误差,显著提高了磁强计的误差估计精度与定姿精度。     

微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法

针对传统皮纳卫星姿态控制系统中磁力矩器输出力矩小、姿态控制响应慢等问题，提出一种微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法，提高了控制精度，缩短了控制周期，并利用Lyapunov稳定性理论证明了算法的稳定性。首先建立微型固体推进器阵列优化点火模型，然后给出其补偿控制时间设置方法，并推导出大角速度阻尼控制律和辅助速度阻尼控制律，同时设计了基于混合系统模型的姿态捕获联合控制律，最后通过仿真验证了速度阻尼联合控制律和姿态捕获联合控制律的有效性。仿真结果表明，相较于传统的纯磁控方法，联合控制方法能够有效提高控制精度，大幅度缩短控制周期。     

基于盒粒子滤波的低成本皮纳卫星高效姿态确定算法

针对低成本皮纳卫星姿态确定系统在质量、体积、计算量以及能耗等方面的限制问题，本文基于区间分析理论提出了卫星姿态区间化描述方法并建立了运动学区间化方程，提出了基于盒粒子滤波(BPF)的皮纳卫星姿态确定算法。该算法首先采用双矢量算法对太阳敏感器和磁强计得到的量测进行姿态解算，并将解算出的姿态四元数作为伪量测值输入传递给BPF，从而降低敏感器噪声对估计精度的影响。仿真实验表明，相比于传统粒子滤波的姿态确定算法，本文所提出的BPF姿态确定算法能够在保证姿态确定精度的同时大幅缩短算法运行时间。     

以VSCMG为执行器的航天器姿态机动自适应动态滑模控制

针对刚体航天器姿态机动控制问题,结合变速控制力矩陀螺(VSCMG)执行器的特性,提出一种自适应动态滑模控制律,提高了姿态机动控制的扰动抑制能力和鲁棒性。此控制律采用自适应方法对扰动力矩进行估计,通过给出控制力矩变化率并对其积分得到控制力矩,以此削弱切换控制的抖振对控制力矩时间连续性的影响,从而改善系统的动态性能。仿真分析显示该控制律能够在扰动力矩作用下实现刚体航天器的快速姿态机动,并且有效减弱了滑模控制的抖振现象。     

Parameters design of vibration isolation platform for control moment gyroscopes

Vibration isolation is a direct and effective approach to improve the ultra-precise pointing capability of a high resolution remote sensing satellite. In this paper, a passive multi-strut vibration isolation platform for the control moment gyroscopes in a pyramid configuration on a satellite is adopted and the parameter design of this platform is discussed. The first step constructs a whole satellite dynamic model including the control moment gyroscopes and the vibration isolation platform with Newton–Euler method, while the analytical control moment gyroscopes disturbance model is derived. The transmissibility matrix of the vibration isolation platform is then obtained, and the frequency domain characteristics of the platform are described, with its influence on the attitude control system analyzed. The third part presents the parameter design method of the vibration isolation platform based on the frequency domain characteristics mentioned above. The stiffness and damping coefficients of this platform are subsequently selected with the above mentioned method. Finally, using these parameters, the performance of the vibration isolation platform on the satellite is testified by integrated simulations. The study shows that parameters of this platform selected based on this method not only satisfy the requirement of vibration isolation but also guarantee that the closed-loop attitude control system remains sufficiently stable.     

一种带精确补偿的卫星姿态快速机动控制方法

针对挠性卫星姿态敏捷机动中，挠性模态和星体转动惯量不确知，进而影响前馈补偿的有效性的问题，提出一种将非线性状态观测器和转动惯量辨识相结合的精确补偿控制方法。证明了一般挠性卫星动力学的非线性项满足Lipschtiz条件，可引入非线性观测器，实现了挠性模态的准确估计。设计了一种基于角速度最优阶拟合的转动惯量校正方法，进一步提高前馈补偿的精度和姿态机动的快速性。数学仿真对比结果表明：本文所提的精确补偿控制方法，能够有效减少挠性附件振动和转动惯量不准确对姿态控制的影响，提高姿态控制的响应速度，满足挠性卫星机动过程的快速性和稳定性，适用于挠性卫星的姿态敏捷机动控制。     

星载大型反射面天线主动振动抑制建模分析方法

为研究抑制星载大型反射面天线的在轨振动,文章给出一种基于压电材料的天线臂主动振动抑制建模分析方法。该方法基于整星刚柔耦合动力学模型,通过将压电材料的应力等价为内力矩,应变等价为位移差分,获得卫星动力学、振动抑制与姿态控制的解析式耦合计算模型,进而预测振动抑制后的天线振动传递特性和响应。以某带大型反射面天线的卫星为例,分别从压电材料布局和计算边界条件角度给出主动振动抑制的时域、频域分析结果,并进行对比。分析结果表明:文章所提出的方法能够实现压电材料在天线臂上的布局优化以及获知天线臂主动振动抑制效果。     

On the origin of satellite swarms

For a species to develop in nature basically two things are needed: an enabling technology and a “niche”. In spacecraft design the story is the same. Both a suitable technology and a niche application need to be there before a new generation of spacecraft can be developed. In the last century two technologies have emerged which had and still have a huge impact on the development of technical systems: Micro-Electronics (ME) and Micro-Systems Technology (MST). Many different terrestrial systems have changed dramatically since the introduction of ME and MST and many new systems have emerged. In the same period many nano-satellites have been built and launched and shown that they can perform in space. Still it is not clear what the specific role of these small satellites will be. Where will they go? What will they do? In this paper the authors will try to answer these questions and will refer to the OLFAR space born radio telescope as one of the niche applications for a nano-satellite swarm.     

某型号卫星磁环境兼容性分析与控制

某型号卫星的主探测器光电倍增管对卫星的磁环境非常敏感,因此卫星的磁兼容分析和磁设计非常重要。文章结合此卫星的特点对整星的磁场和磁矩等磁兼容性进行了分析计算;对载荷的磁屏蔽方案进行了分析和试验,并根据试验结果给出了磁屏蔽的优化方案;通过分析磁兼容性对姿轨控系统的影响,提出了卫星设计的约束条件,最后给出了磁兼容性分析的结论。     

超低轨卫星气动参数及转动惯量在轨实时辨识

给出了超低轨卫星气动参数和转动惯量的在轨实时辨识方法。针对超低轨卫星所处的稀薄流环境,建立了镜面-漫反射模型稀薄流散射系数的傅里叶级数模型。根据卫星姿态动力学与运动学方程推导了傅里叶级数模型中各气动参数以及卫星转动惯量的线性观测模型。以采用气动主动控制方式的近地圆轨道纳星为仿真对象,用递推最小二乘法进行在轨实时辨识,辨识结果与设定值一致。方法对卫星在轨实时控制时需获取高精度的气动力矩和卫星真实转动惯量有重要的意义。     

基于跟踪微分器的姿控喷管故障检测

针对航天飞行器姿控喷管故障的检测问题，提出了一种基于跟踪微分器(TD)的故障检测方法。该方法在考虑测量噪声、安装误差、转动惯量误差、姿控喷管特性、质心偏移等因素的基础上，设计了带低通滤波器的跟踪微分器，用来估计姿控喷管的输出力矩，并根据上述对象的实际偏差设计了无故障时估计力矩随指令力矩变化的力矩包络，即在无故障时估计力矩不会超出包络，通过检测估计力矩是否超出包络来判断是否发生故障。通过数学仿真，表明该方法能有效检测航天飞行器姿控喷管的故障，检测成功率高并且几乎没有误检。     

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动力矩分析与抑制

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统，提出了一种基于自适应逆扰动消除控制的设计方法。该控制器采用将被控对象动态控制和对象扰动控制分离处理的方法研究了控制力矩陀螺框架伺服系统的非线性摩擦干扰力矩、陀螺房内部高速磁悬浮转子系统因框架变速转动对框架伺服系统产生的耦合力矩以及航天器姿态改变导致框架伺服系统本身的参数大范围变化等问题。设计的自适应逆扰动消除器大大改善了框架伺服系统的控制性能、提高了系统的速率输出精度。仿真结果表明，提出的扰动力矩抑制方法是可行的，具有很强的鲁棒性。     

空间站姿态控制和动量管理研究

空间站在利用控制力矩陀螺 (CMG)进行姿态控制的过程中 ,由CMG产生的内力矩使空间站角动量重新调整分配 ,会引起控制力矩陀螺角动量随时间的累积 ,从而导致角动量的饱和。本文在空间站姿态控制与动量管理 (ACMM )线性化模型基础上 ,首先建立了不考虑扰动抑制下的控制系统稳定模型 ,其次分析了考虑扰动抑制下的控制器设计 ,引入线性系统有关理论 ,利用内模原理实现对扰动抑制的鲁棒控制 ,最后通过仿真验证了系统的有效性