基于联合飞轮和磁力矩器的航天器姿态控制算法研究

研究了航天器姿态控制过程中,在姿态捕获阶段单独使用磁力矩器对航天器进行粗定向,在姿态调整阶段联合使用磁力矩器和反作用飞轮对航天器进行控制的问题。建立了反作用飞轮作为执行机构的姿态动力学模型。根据Lyapunov稳定性原理,设计了输入控制器和参数自适应律。将该算法应用于航天器姿态控制过程。仿真结果表明,该算法简单、有效、实用性强。     

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。     

根据线性迭加理论实现微小卫星姿态磁控制

根据地磁力矩定向阻尼特性和线性迭加理论,提出仅用磁力矩器实现对地指向微小卫星三轴姿态稳定的控制律。推导了采用迭加补偿,并考虑附加磁矩影响时改进的卫星姿态动力学方程。理论分析和仿真结果表明,该控制律简单、姿态控制精度高。     

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。     

磁控微小卫星速率阻尼和姿态捕获研究

针对非重力梯度稳定、偏置动量轮加三轴磁控的微小卫星初始姿态控制阶段，采用B-dot控制进行速率阻尼，设计了滑模控制律进行姿态捕获。除了磁控阻尼-捕获-动量轮起旋外，还首次提出了B-dot加动量轮常速起旋、磁控加动量轮姿态捕获的新方法。仿真结果表明，纯磁控的B-dot方法能有效得进行速率阻尼，滑模控制捕获姿态精度高、时间短；B-dot阻尼同时进行动量轮开环起旋，可以迅速使姿态稳定，滑模磁控律可以有效得对偏置动量卫星进行大角度姿态控制，尤其该新方法操作简捷，明显减少初态控制时间。     

单轴飞轮故障时的小卫星姿态控制方法研究

反作用飞轮和磁力矩器是现代小卫星姿态控制的主要执行机构,针对单轴反作用飞轮故障仅能提供两轴控制力矩的情况,提出了一种使用磁力矩器和反作用飞轮进行联合控制的算法。首先推导了一种拟PD姿态控制律,在此基础上提出了剩余两反作用飞轮和磁力矩器的控制力矩分配策略。仿真结果表明,该算法能够在单轴飞轮故障情况下完成小卫星高精度姿态控制任务,延长航天任务寿命,算法鲁棒性好,设计简单且易于在轨实时计算。     

关于磁强计与磁力矩器分时工作方案的研究

鉴于磁力矩器与磁强计同时工作会对磁强计地磁测量精度产生很大影响,本文提出一个磁强计与磁力矩器分时工作的方案,然后比较了卫星姿控系统采用不分时/分时两种方案的差异,最后研究了不同分时比例对卫星姿态控制的影响。通过仿真发现:当姿控系统采用分时方案时,电能消耗较少,早期阶段的控制精度较高,而后期稳态阶段的控制精度则相对较低;随着磁力矩器占用时间比例的下降,卫星姿态控制精度呈抛物线下降,卫星进入稳态控制阶段的时间也大大延长;分时比例存在一个相当大的范围,当在此范围内变化时,卫星姿态控制精度较高且变化幅值不大。此外,研究结果也反映出PD控制律良好的控制能力和鲁棒性。     

一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术研究

在有较复杂外干扰力矩条件下,对一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术进行了研究。建立了零动量卫星的三轴姿态动力学模型,分析了环境外干扰力矩对滚动-俯仰-偏航姿态的影响,设计了补偿方案:用低通滤波器的角动量正反馈对外力矩进行补偿,导出了控制器补偿项的数学表达式;引入磁卸载+磁前馈分别消除飞轮饱和及削弱磁力矩干扰的影响,给出了滚动-偏航、俯仰通道的控制模型和数学表达式。仿真结果表明:采用该方法三轴姿态角控制精度高,飞轮转速被限制在一定范围内,有效削弱外干扰力矩对星体姿态控制的影响,提高了卫星的姿态控制精度。     

基于机器学习的卫星姿态控制律设计

传统的优化算法只能针对给定控制律的指定参数进行优化.机器学习的方法,不仅进化参数,而且可以按给定准则进化出卫星姿态控制律表达式.建立卫星姿态动力学模型及敏感器和执行机构的原理与误差模型,构成含噪声的单自由度的闭环数字仿真系统.统计一段时间内仿真结果的姿态精度和稳定度作为该控制律的适应度函数.针对姿态控制律选定合适的函数...     

带大惯量运动部件卫星姿态高精度复合控制研究

对有大惯量运动部件的三轴稳定卫星在稳态运行期间高精度高稳定度控制方法进行了研究。提出了一种卫星姿态高精度动态补偿控制算法:先基于卫星姿态动力学模型与卫星有效载荷运动部件摆动规律,设计了姿态稳定反馈控制律和补偿摆动部件干扰力矩的前馈控制器,用前馈-反馈控制的复合控制算法,消除运动部件摆动对卫星姿态控制系统产生干扰力矩的负面影响;再用干扰观测器修正因通信延迟造成的补偿残余力矩,设计了扰动观测器对前馈补偿残余力矩进行辨识,进一步补偿修正残余力矩,以保证控制系统的性能指标。仿真结果表明:该法能有效补偿干扰力矩并提高控制精度,实现的卫星姿态控制精度优于0.005°。     

固体微型推力器应用设计

为了使固体微型推力器阵列应用于微型卫星控制,须要解决推力器的布局设计以及推力器阵列设计问题。提出了一种以正六边形为基元的推力器阵列方法,研究了推力器阵列的特点及规律,进行了应用分析;研究了推力器阵列的最优布局方式,设计了一种基于解耦控制的推力器布局设计,分析了该布局下的冲量和冲量矩的包络面。以正六边形为基元的推力器阵列方式能够满足微型卫星姿轨控的需要,推力器分布规律性强,利于分配算法设计;采用正六面体方式的布局设计,其冲量和冲量矩包络面亦为正六面体。     

Attitude control schemes for the first recovery mission of India

This paper describes the attitude control schemes for the various phases such as acquisition, on-orbit, orbit maneuver, de-boost maneuvers and coast phases of the India's first recovery mission Space Capsule Recovery Experiment-I (SRE-1). During the on-orbit phase, the SRE was configured to point the negative roll axis to Sun. The attitude referencing of SRE-1 was based on dry tuned gyros with updates from the attitude determined using on-board Sun sensors and magnetometer. For attitude acquisition, attitude maneuvers and for providing the velocity corrections for de-orbiting operations; a set of eight thrusters grouped in functionally redundant blocks were used. The control scheme with thrusters was based on proportional derivative controller with a modulator. In order to ensure micro-gravity environment during the on-orbit payload operations a linear quadratic regulator (LQR) based control scheme was designed to drive an orthogonal configuration of magnetic torquers which in turn produced three-axis control torque with the interaction of Earth's magnetic field. Proportional derivative control scheme with modulator was designed to track the steering commands during the velocity reduction as well as during the coasting phase of the de-orbiting operations. A novel thruster failure detection, isolation and reconfiguration scheme implemented on-board for the de-orbiting phase is also discussed in this paper.     

固体微推力器阵列的推力估计与分配补偿方法

针对固体微推力器阵列(SPMA)中微推力器一次性点火，推力测试中难以获得精确推力的特点，为实现推力在线估计和实时补偿，提出一种利用二次规划对微推力器阵列推力进行估计，同时结合混合整数规划算法进行推力分配的方法，对估计算法收敛性以及控制系统稳定性进行了分析。该方法在不修改控制律的前提下，对推力器推力进行在线估计，并采用推力分配的方法实时补偿推力器出现的推力偏差，对系统稳定性的分析证明该方法可以保证系统的有界稳定。将其应用到微纳卫星编队保持中，仿真结果表明，在微推力器阵列出现推力偏差的情况下，该方法能很好地补偿推力偏差对控制系统造成的影响。     

一种基于推进剂消耗优化的卫星小推力器布局设计

针对小推力器安装角度对卫星南北位置保持、东西位置保持和姿态控制效率的影响,从而决定推进剂需求量,提出一种推进剂消耗过程耦合建模与求解方法,并建立了小推力器安装角度优化模型。该方法采用定点迭代对转移轨道阶段推进剂消耗量和静止轨道阶段推进剂消耗量与贮箱尺寸之间耦合过程进行解耦,并建立了不同阶段推进剂消耗量估算模型。以卫星寿命期推进剂需求量最少为优化目标,建立了小推力器布局优化模型。通过实际的小推力器布局设计实例,分别采用遗传算法和序列径向基函数代理模型（SRBF）优化策略进行优化。优化结果表明相比于基于经验设计,SRBF可以有效地降低推进剂需求量,而且对比遗传算法,优化效率得到了显著提高。     

A novel single thruster control strategy for spacecraft attitude stabilization

Feasibility of achieving three axis attitude stabilization using a single thruster is explored in this paper. Torques are generated using a thruster orientation mechanism with which the thrust vector can be tilted on a two axis gimbal. A robust nonlinear control scheme is developed based on the nonlinear kinematic and dynamic equations of motion of a rigid body spacecraft in the presence of gravity gradient torque and external disturbances. The spacecraft, controlled using the proposed concept, constitutes an underactuated system (a system with fewer independent control inputs than degrees of freedom) with nonlinear dynamics. Moreover, using thruster gimbal angles as control inputs make the system non-affine (control terms appear nonlinearly in the state equation). This necessitates the control algorithms to be developed based on nonlinear control theory since linear control methods are not directly applicable. The stability conditions for the spacecraft attitude motion for robustness against uncertainties and disturbances are derived to establish the regions of asymptotic 3-axis attitude stabilization. Several numerical simulations are presented to demonstrate the efficacy of the proposed controller and validate the theoretical results. The control algorithm is shown to compensate for time-varying external disturbances including solar radiation pressure, aerodynamic forces, and magnetic disturbances; and uncertainties in the spacecraft inertia parameters. The numerical results also establish the robustness of the proposed control scheme to negate disturbances caused by orbit eccentricity.     

基于变刚度变阻尼的柔性喷管动态模型

针对柔性接头动态迟滞曲线受控制系统控制位置精度和动态响应速度影响较大的问题,基于电液伺服机构和柔性接头变刚度变阻尼模型,构建了柔性喷管的电液伺服机构-变刚度变阻尼模型,将其和电液伺服机构-定刚度定阻尼模型进行了对比。分析了电液伺服机构主要参数、柔性接头工作参数等对电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的影响。分析结果表明:电液伺服机构-变刚度变阻尼模型所构造的迟滞曲线可更准确地与实验结果相吻合,并符合迟滞曲线随频率变化的规律,反馈系数、放大器静态放大系数、电液伺服机构增益、滑阀流量增益等参数对系统动态特性的影响更为明显。该模型为固体火箭发动机电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的调整提供理论依据。     

帆板转动时卫星姿态的非线性控制

当帆板转动时，卫星姿态因系统质量特性的改变和帆板驱动力矩的作用而发生扰动，本文采用一种具有鲁棒性的非线性控制方法，实现了高精度的卫星姿态控制。     

无陀螺磁控小卫星的大角度姿态捕获研究

为了解决无陀螺磁控小卫星的姿态稳定和捕获问题,本文针对偏置稳定的主动磁控小卫星姿态控制平台,基于磁控力矩的时间累积作用效果等效卫星角动量增量的规律,设计了一种仅利用角度反馈的卫星大角度磁捕获控制律。通过仿真和卫星在轨实测的验证,证明该方法具有良好的收敛效果和鲁棒性,工程实现简单,可靠性高,适用于中低轨道的通信小卫星。