基于MME/KF的电推进器推力在轨标定算法

为了确保小推力量级电推进器在轨工作的有效性,提出了一种基于MME/KF（Minimum Model Error/Kalman Filter）的电推进器推力在轨标定算法。该算法对推力标定过程为:首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩作用于卫星上,同时姿态控制器发送指令给电推进器来保持卫星的稳定;然后将陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,并利用KF算法实现电推进器在轨标定;最后进行数学仿真。结果表明该算法在常规推力下可以提高在轨标定精度,并且可以实现小推力条件下的在轨标定。     

大角度机动下带挠性附件航天器转动惯量在轨辨识

针对大角度机动情况下带挠性附件航天器转动惯量在轨辨识的问题,提出一种将转动惯量参数估计和挠性附件状态估计相结合的并发递推算法。该算法以大角度机动情况下带挠性附件航天器的非线性动力学模型为基础,分别利用广义卡尔曼滤波做挠性附件振动模态的状态估计,最小二乘法做转动惯量的参数估计。最后通过并发递推算法将二者结合,完成了带挠性附件航天器的转动惯量参数辨识。为了提高算法的效率,采用一步最小二乘、多步广义卡尔曼滤波并发递推的算法。仿真结果表明,该辨识方法兼具高精度、高效率,并且算法有一定的抗干扰能力。     

一种海洋测高卫星质心在轨估计算法

为了满足海洋测高卫星在轨质心位置精度的要求,提出了一种使用陀螺仪测量数据在轨估算卫星质心位置的算法。该算法利用推力器工作产生外力矩,采用总体最小二乘法,综合考虑了实际推力器推力的误差及陀螺仪的测量误差,由卫星的姿态动力学方程估算得到卫星质心位置。数值仿真证明了该算法的有效性,结果表明质心位置的估计精度在毫米量级,可以满足海洋测高卫星对质心位置精度的需求。     

一种基于推力器控制的卫星质心在轨估算方法研究

为准确估计地球静止轨道(GEO)卫星在轨道机动过程中因燃料消耗产生的质心位置的变化,提出了一种基于推力器连续喷气的卫星质心在轨估算方法。采用推力器在固定时间内连续喷气工作方式以形成恒定的推力器作用力和力矩,根据陀螺测量值用最小二乘法估算推力器产生的星体角加速度值,采用产生正负向相反控制力矩的两个推力器同时工作,以减小对卫星姿态的扰动和三轴间的动力学耦合。给出了卫星质心计算公式,讨论了质心估算中的推力器推力位置测量误差、推力器推力矢量方向角度测量误差、成对工作推力器推力大小偏差、陀螺组合测量噪声、整星转动惯量计算偏差,以及卫星姿态动力学耦合特性等主要误差源对估算结果的影响。基于某GEO卫星的推力器数据,计算获得了在轨质心的总测量偏差。仿真结果表明:理论计算值与仿真结果的误差在允许范围内,方法有效,可广泛用于航天器的质心位置测量,方法有较大的工程应用价值。     

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。     

一种基于单站仅测角观测的弹道射向估计算法

针对单站仅测角条件下的弹道射向估计问题,提出了一种新的基于推力加速度模板的弹道射向估计算法。首先,建立以射向为待估参数的弹道平面切割模型,获得一组备选弹道曲线。其次,通过UKF算法从每条备选弹道曲线中估计出推力加速度曲线。最后,将得到的推力加速度曲线与推力加速度模板进行匹配,进而得到弹道射向估计结果。仿真结果验证了该算法的有效性。     

采用双目视觉的非合作空间目标相对导航与惯性参数辨识方法

针对面向在轨服务的非合作空间目标测量感知问题，提出了一种基于双目视觉的相对导航与惯性参数辨识方法。利用目标表面的特征点建立几何坐标系，并分别设计了姿态测量和相对导航滤波器，实现了目标姿态、角速度、轨道，质心位置与惯量比的高精度估计。在此基础上，通过黏附卫星与非合作目标形成组合体，利用相对导航算法获得的质心位置和惯量比在黏附前后的变化，实现了目标质量和转动惯量的辨识。数值仿真试验证明了算法的有效性。     

动力学补偿受控卫星轨道确定算法(英文)

受控卫星动力学模型中推力加速度的量级远远高于其他摄动的误差量级,观测量主要反映受控卫星动力学模型的误差。本文以跟踪和精确定位空间机动目标为目的,给出基于地面雷达观测,实时估计推力加速度,修正卫星动力学模型的轨道确定算法。通过建立连续推力控制过程变质量动力学模型,给出常推力变加速度满足的运动学微分方程; 建立变加速度估计系统状态方程,和扩展卡尔曼滤波轨道确定算法; 并给出连续推力控制卫星运动状态关于推力加速度的变分运动方程; 实际飞行控制应用表明: 利用地面测量数据,实时估计推力加速度并补偿系统动力学模型,解决了连续受控卫星轨道精确确定问题。     

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。     

嫦娥四号探测器推进系统设计特点与验证

嫦娥四号探测器推进系统在充分继承嫦娥三号探测器的技术方案基础上,在发动机精确控制和高精度变推力、轨道控制管路超压管理、月面高可靠推进剂钝化、气瓶在轨提高裕度和发动机量化极性测试方面进行了优化设计,并通过了地面试验和在轨飞行试验的充分验证。结果表明:嫦娥四号探测器推进系统完成了在轨飞行全部姿态控制和轨道控制任务,取得的发动机推力精确控制和高精度变推力等技术成果可应用于其他探测器。     

基于飞轮控制的空间机器人质量参数辨识

针对空间机器人进行在轨辨识时存在精度不高、燃料消耗较大等问题,提出了基于飞轮控制的在轨辨识方法,可以有效地解决辨识时存在的问题。该方法采用飞轮控制作为激励方式,通过改变机械臂的构型使整个空间机器人系统的质量分布发生变化,分别测量构型改变后的角速度和线加速度,以计算出基座本体的质量、质心和转动惯量。此外,分析了机械臂与本体的质量比对辨识精度的影响。仿真结果表明,本文的方法可操作性强、精度较高,燃料消耗较小,可以应用于空间机器人的在轨辨识中。     

Determination of the inertia tensor of the <Emphasis Type="Italic">International Space Station</Emphasis> on the basis of telemetry data

We describe the method and results of determination of the inertia tensor of the International Space Station using telemetry data related to its attitude motion and the total angular momentum of gyrodines. A linear system of differential equations describing the variation of the total angular momentum of gyrodines on some time interval is derived on the basis of the data related to the station orientation in the same time interval. This linear system represents the theorem related to the variation of the total angular momentum of the station and gyrodines and takes into account the action of gravitational and aerodynamic moments upon the station. The solution to the system depends linearly on the components of the inertia tensor of the station and on the parameters specifying the aerodynamic moment. The estimates of these quantities are carried out by the least squares method on the condition of the best approximation by the solutions to the considered linear system of the telemetry values of the total angular momentum of the gyrodines.__________Translated from Kosmicheskie Issledovaniya, Vol. 43, No. 2, 2005, pp. 135–146.Original Russian Text Copyright © 2005 by Banit, Belyaev, Dobrinskaya, Efimov, Sazonov, Stazhkov.     

基于欧拉方法的多磁偶极子分辨技术

文章首次将欧拉反演方法应用于航天器内部多磁偶极子的分辨,通过测量航天器外围磁场及其梯度张量数据,采用欧拉反演算法来计算航天器内部主要磁性部组件的位置和磁矩参数。根据磁场梯度张量数据的测量特点,采取了网格式数据采集方式;然后推导了多点联合反演的欧拉方程组,并提出了一种在所有反演解中快速准确寻找最优解的方法;在此基础上利用遗传算法对反演最优解进行了优化。优化后的分辨结果表明:在小范围、多层次磁源分辨方面,计算出的磁源磁矩参数较为准确,且磁源位置最高分辨率优于0.01m。     

复杂形状物体转动惯量测量技术研究

介绍了存在阻尼条件下物体转动惯量测量的数学模型——线性微分方程模型;利用气浮转动惯量测量系统对线性模型进行了实验验证。结果表明空气阻尼对大尺寸复杂形状物体的转动惯量测量影响较大;线性模型的补偿效果有限,对于阻尼条件下的高精度的转动惯量测量,有必要进行新的补偿算法的研究。     

A Celestial Mechanics Model of Oscillations of the Poles of a Deformable Earth

The problem of Chandler motion of the Earth's poles is studied in the context of the model of a viscoelastic body. The Earth-Moon system is considered as a binary planet rotating around their barycenter. Numerical values of the period and amplitudes of oscillations of the poles are obtained by estimating the elastic deformation of the Earth and the variation of its inertia tensor, and they agree well with observational data. An evolution model of the Earth-Moon-Sun system is constructed by taking into account tidal forces of dissipation character. By means of the method of averaging, the qualitative properties of motion on asymptotically large intervals of time (comparable and essentially longer than the period of precession of the Earth's axis) are established and commented on.     

Stability-based SDRE controller for spacecraft momentum management

Momentum management of spacecraft aims to avoid the angular momentum accumulation of control momentum gyros through real-time attitude adjustment. An attitude control/momentum management controller based on state-dependent Riccati equation is developed for attitude-stabilized spacecraft. The governing equations of the system are formulated as three-axis coupled with full moment of inertia, which fully capture the nonlinearity of the system and are valid for systems with significant products of inertia or strong pitch to roll/yaw coupling. The state-dependent Riccati equation algorithm brings the nonlinear system to a linear structure having state dependent coefficients matrices and minimizing a quadratic-like performance index. The system equations are nondimensionalized, which avoid numerical problems at the same time make the weighting matrix more predictable. To guarantee closed-loop system stability, the state-dependent Riccati equation algorithm is also modified based on pole placement technique. The state-dependent Riccati equation is online calculated through the computational-efficient θ-D technique which reaches a tradeoff between control optimality and computation load. The dynamic characteristics of the system at torque equilibrium attitude are analyzed. Constraints on moment of inertia for successful momentum management are provided. Simulations demonstrate the excellent performance of the controller.     

Orbital and angular motion construction for low thrust interplanetary flight

Low thrust interplanetary flight is considered. Firstly, the fuel-optimal control is found. Then the angular motion is synthesized. This motion provides the thruster tracking of the required by optimal control direction. And, finally, reaction wheel control law for tracking this angular motion is proposed and implemented. The numerical example is given and total operation time for thrusters is found. Disturbances from solar pressure, thrust eccentricity, inaccuracy of reaction wheels installation and errors of inertia tensor are taken into account.     

New one-axis one-sensor magnetic attitude control theoretical and in-flight performance

New one-axis magnetic attitude control is proposed. Only one attitude sensor providing any inertial direction measurements is necessary, magnetometer is not used. The control may be used as a backup capability in case main actuators or some attitude sensors fail. Sun pointing is achievable using only three-axis Sun sensor, so the control may be used to lower the power consumption during battery charging. Asymptotic stability of different equilibria depending on the satellite inertia tensor is summarized. In-flight results from “Chibis-M” microsatellite are provided proving general control performance.     

一种通用的设备转动惯量测量方法

在航天领域的控制系统半实物仿真试验中,经常需要获取某些参试设备的转动惯量以进行姿控系统设计.通常这些设备的形状不规则并且内部质量分布不均,仅采用基于外部形状的三维建模方法难以获得较为精确的转动惯量.本文以某项目地面气浮仿真试验中参试设备转动惯量的测量为应用背景,在GJB361A-97关于三线悬吊法测转子转动惯量的基础上.提出了一种通用的不规则设备的转动惯量测量方法,该方法通过简单的测量步骤对形状不规则、质心不确定、质量分配不均、内部构造复杂等参试设备的转动惯量加以精确测量.测量结果表明,该方法所测转动惯量完全能够满足姿控系统设计的相关指标要求.