带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型研究

对带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型建立进行了研究。用混合坐标法建立带挠性附件的卫星的动力学方程,对挠性体的高阶模态作截断处理以简化模型。用小角度近似获得了以姿态角表示的刚体卫星线性化姿态动力学方程,给出了卫星姿态动力学方程状态空间方程,将卫星的挠性附件振动耦合作用作为一种外部干扰力矩叠加到线性方程中,建立了完整的带挠性附件三轴卫星姿态动力学方程的状态空间模型。以某带单翼太阳电池板的卫星作为算例,设计了基于状态空间模型的控制器,结果表明基于状态空间模型设计的高阶线性控制器能对具非线性时变特性的卫星进行有效控制,对帆板等挠性附件的振动有主动抑制功能。     

双自旋卫星的姿态运动和控制

本文引入卫星动力学等效概念,把单自旋卫星的动力学分析、制控的概念和方法推广应用到双自旋卫星。提出了双自旋卫星的双脉冲闭路控制的设计方案。分析了由于结构误差引起的摆动,给出了摆动角的计算公式和卫星姿态的稳定判据。论证了管一球武章动阻尼器也适用于双自旋卫星。证明了章动阻尼器不能消除摆动,甚至对卫星姿态误差产生不可忽视的影响;最大姿态误差角等于章动角和摆动角之和。最后,用仿真试验验证了分析结果。     

含固定转速驱动电机的挠性卫星自旋稳定性分析

分析一类含驱动电机挠性卫星的自旋稳定性,应用不变集定理证明了系统轨迹收敛于系统平衡点集,并通过构造正定的单调递减的类能量函数来判断各平衡点的稳定性质。获得的结论包括：由于挠性振动阻尼特性,在无外扰力矩作用时,含固定转速驱动电机的挠性卫星存在稳定的自旋;不含驱动电机的挠性卫星,稳定的自旋轴为其最大主惯量轴;驱动电机可改变挠性卫星的自旋轴,给出了稳定的自旋轴与电机转速方向夹角公式,该夹角为锐角;当电机转动角动量幅值远小于系统角动量时,稳定自旋轴接近最大主惯量轴;电机转动角动量幅值越接近系统角动量,稳定自旋轴越接近电机转动方向。文中也给出了稳定自旋轴平行电机转轴的条件。     

带挠性附件的航天器系统动力学特性研究

本文研究了带挠性附件的航天器系统动力学特性。带挠性附件的航天器系统建模为刚性主体带挠性附件（挠性附件的末端带有刚性质量），根据拟坐标下的Ｌａｇｒａｎｇｅ定理建立了主刚体姿态运动与挠性附件振动相互耦合的动力学状态方程。针对一类带挠性附件的航天器系统编制了有关计算软件，利用该软件以ＳＣＯＬＥ模型（ＳＣＯＬＥ是ＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｏｎｔｒｏｌＬａｂｏｒａｔｏ－ｒｙＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ的缩写，其系统构形可参见文献［２］［３］）为例进行动力学分析，我们得到了与ＮＡＳＡ有关报告几乎完全一样的结果。本项研究为一类带挠性附件的航天器控制系统设计提供了一种合适的动力学理论模型。     

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。     

带有输入非线性的挠性航天器姿态机动变结构控制

针对挠性航天器反作用飞轮输入力矩受限情况下的姿态机动问题，提出了一种仅利用输出信息的变结构输出反馈控制方法。在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上，给出了滑模存在条件以及变结构输出反馈控制器设计的方法，并保证闭环系统渐近稳定；另外，为了避免确定不确定性和外干扰界函数上限的困难，又给出了一种自适应变结构输出反馈控制器的设计方法，并基于Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及稳定性。最后，将本文提出的两种控制方法应用于三轴稳定挠性航天器的姿态机动控制，并进行数值仿真研究。仿真结果表明：在反作用飞轮的控制受限条件下，完成姿态机动的同时，使得挠性附件的振动幅值远远小于0．001，有效地抑制挠性附件的振动。     

基于PD控制的大挠性卫星输入成型姿态机动方法研究

对有快速姿态机动要求的大挠性卫星,为减小挠性振动对姿态机动时间的影响,对基于比例微分(PD)控制的输入成型姿态机动方法进行了研究,提出用输入成型方法在快速机动过程中直接对附件的挠性振动进行抑制。将动力学方程扩展到状态空间,通过求解状态矩阵的特征值解出系统的等效振动频率与阻尼比,以获得成型输入器。给出了一种简化的且能满足工程使用的输入成型频率参数确定方法。设计了输入成型的PD控制器,实现欧拉轴快速姿态机动,同时有效抑制附件的振动。对输入成型器的误差进行了分析。仿真分析了ZVD,EI,ZVDD,EI-Twohump四种输入成型器对某卫星太阳阵挠性振动的抑制效果,以及惯量和挠性参数分别在标称及拉偏状态下卫星姿态机动时的姿态误差与振动模态。结果表明:该方法可满足工程使用要求,简易地获取输入成型参数,设计绕欧拉轴近似最短路径的机动方式,能有效抑制附件的挠性振动,实现快速的姿态机动。     

大椭圆轨道挠性卫星姿态快速机动控制研究

对具挠性附件的大椭圆轨道卫星快速姿态机动控制进行了研究。针对此类卫星的非线性姿态动力学特点,用非线性矩阵二阶系统形式建立了卫星刚体与柔性结构模态耦合的动力学模型,用反馈非线性化将其转换为一类多胞线性参变系统。针对该系统设计线性状态反馈控制律实现区域极点配置,将相应控制律参数的求解转换为线性矩阵不等式约束下的凸优化问题。仿真结果表明:所提控制方法可同时实现挠性卫星的快速机动控制和挠性振动的有效抑制,能满足大椭圆轨道运行的挠性卫星完成不同观测区域切换的姿态控制任务。研究为大椭圆轨道挠性卫星的小角度快速机动控制提供了理论支撑。     

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°。     

挠性航天器混合H2/H∞输出反馈姿态控制（英文）

研究一类带有挠性附件的航天器的H2/H∞输出反馈姿态控制问题,所涉及的挠性航天器由刚性本体和挠性附件构成。由于挠性附件的振动和航天器本体姿态运动的耦合,再加之振动模态难以测量,对挠性航天器的姿态控制带来困难。针对该问题提出了基于H2/H∞理论的动态输出反馈控制器设计方法。动态输出反馈在模态变量不能测量的前提下也能有效控制航天器本体姿态,而H∞控制器具有很好的抗干扰能力,能有效抑制空间环境干扰力矩和模型不确定性对控制系统稳定性的影响。和纯H∞输出反馈控制算法相比,基于H2/H∞的设计同时提高系统的动态性能。数值仿真验证了所设计的控制方法对挠性航天器具有很好的姿态控制效果。     

Stability of large flexible damped spacecraft modeled as elastic continua

Vibrational stability of a large flexible, structurally damped spacecraft subject to large rigid body rotations is analysed modelling the system as an elastic continuum. Using solution of rigid body attitude motion under torque free conditions and modal analysis, the vibrational equations are reduced to ordinary differential equations with time-varying coefficients. Stability analysis is carried out using Floquet theory and Sonin-Polya theorem. The cases of spinning and non-spinning spacecraft idealized as a flexible beam plate undergoing simple structural vibration are analysed in detail. The critical damping required for stabilization is shown to be a function of the spacecraft's inertia ratio and the level of disturbance.     

航天器喷气姿态机动分力合成抑制模态选取准则

针对利用喷气执行机构实现航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,以期望的姿态指向精度及稳定度为约束,提出了需要抑制的系统模态阶次选取准则。仿真验证模型由绕单轴旋转的中心刚体及柔性附件组成,应用拉格朗日法建立适用于不同附件位置的系统动力学方程,利用准则设计了常幅值分力合成控制力矩。仿真结果验证了所提出准则的有效性,并表明：在姿态机动前若能适当调整柔性附件的位置,将便于分力合成控制器设计,易于获得较高的姿态指向精度及稳定度,且利于减少喷气次数。     

一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

On the stability of spinning satellites

We study the directional stability of rigid and deformable spinning satellites in terms of two attitude angles. The linearized attitude motion of a free system about an assumed uniform-spin reference solution leads to a generic MGK system when the satellite is rigid or deformable. In terms of Lyapunov’s stability theory, we investigate the stability with respect to a subset of the variables. For a rigid body, the MGK system is 6-dimensional, i.e., 3 rotational and 3 translational variables. When flexible parts are present the system can have any arbitrary dimension. The 2×2 McIntyre–Myiagi stability matrix gives sufficient conditions for the attitude stability. A further development of this method has led to the Equivalent Rigid Body method. We propose an alternative practical method to establish sufficiency conditions for directional stability by using the Frobenius–Schur reduction formula. As practical applications we discuss a spinning satellite augmented with a spring–mass system and a rigid body appended with two cables and tip masses. In practice, the attitude stability must also be investigated when the spinning satellite is subject to a constant axial thrust. The generic format becomes MGKN as the thrust is a follower force. For a perfectly aligned thrust along the spin axis, Lyapunov’s indirect method remains valid also when deformable parts are present. We illustrate this case with an apogee motor burn in the presence of slag. When the thrust is not on the spin axis or not pointing parallel to the spin axis, the uniform-spin reference motion does not exist and none of the previous methods is applicable. In this case, the linearization may be performed about the initial state. Even when the linearized system has bounded solutions, the non-linear system can be unstable in general. We illustrate this situation by an instability that actually happened in-flight during a station-keeping maneuver of ESA’s GEOS-I satellite in 1979.     

挠性飞行器的脉冲调制控制

三轴稳定控制是大挠性飞行器有效和重要的姿态控制方式，喷嘴控制是实现三轴稳定控制的手段之一。本文针对伪速率调制器（ＰＳＲＭ）和脉冲调宽调频调制器（ＰＷＰＦＭ），采用非线性脉冲调制器线性化和描述函数两种方法来分析大挠性航天飞行器的姿态稳定性问题，并对某型卫星的远地点点火姿态控制系统进行了分析和仿真。     

带挠性附件卫星的模型化及截断

本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出了两种模态恒等式,其中之一可用来做控制系统分析时截断高阶方程式的截断准则。     

推力作用下变质量柔性自旋飞行器稳定性分析

针对变质量柔性自旋飞行器推力作用下稳定性问题，以Timoshenko梁为模型，考虑陀螺效应和剪切效应，基于有限元法建立系统振动方程，分析质量变化、推力作用和自旋转速对系统振动的影响，采用自适应Newmark法求解系统的振动响应。结果表明：质量和推力能够改变固有频率、进动频率和临界转速；受质量变化影响，自旋转速与临界转速相等时，飞行器发生短暂共振，共振响应峰值最大时刻与此重合时刻相比稍有延迟。     

充液挠性航天器姿态机动控制的多目标优化

针对充液挠性航天器姿态快速机动、快速稳定的控制要求,为减小姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发,设计了一种基于正弦型加加速度的姿态机动路径规划方法。为进一步提高姿态控制性能,提出了一种基于云多目标粒子群算法的姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法。以最小化充液挠性航天器三轴姿态达到指定指向精度的时间以及三轴姿态稳定度,构建多目标优化模型,并应用云多目标粒子群算法求取姿态控制器参数和机动路径参数的Pareto最优解。仿真结果表明:采用多目标联合优化算法得到的控制器与路径参数,能够有效减小液体晃动和挠性附件振动,显著提高充液挠性航天器大角度姿态机动的快速性和稳定性。     

随动推力作用下柔性旋转飞行器稳定性分析

针对柔性旋转飞行器动力学问题,考虑了飞行器转速的作用,建立了计入陀螺力矩及随动推力影响的运动方程并分析了系统的动力稳定性问题。将柔性旋转飞行器简化为带有附加质量的非均匀转子结构,考虑陀螺力矩及随动推力的影响,采用剪切变形对轴向位移有影响的Timoshenko梁模型,基于有限元方法建立了运动方程,分析转速、剪切刚度及附加质量等因素对系统稳定性的影响,发现了转速作用下旋转飞行器刚体和弹性体模态耦合的新现象。结果表明：剪切刚度较小时,剪切变形对临界推力有较大影响;附加质量的大小及位置对临界推力和不稳定域有重要的影响;转速一般会诱发非均匀转子系统的弯曲模态与刚体模态合并为一个耦合模态,致使系统产生动态失稳。