空间高精度太阳跟踪器设计与实现

文章通过对"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱探测仪太阳跟踪器的设计,探讨了航天器高精度高稳定度跟踪指向技术,提出了一种挠性枢轴支撑、音圈电机驱动的高精度跟踪机构设计方法。挠性枢轴传动环节无接触摩擦,能够实现较高精度的轴系支撑;音圈电机具有结构简单、便于控制的优点,适用于短行程快响应的高精度闭环伺服控制系统,同时满足航天产品轻质、可靠的设计要求。跟踪控制采用基于位置反馈的闭环控制实现太阳粗跟踪,结合图像信息反馈的闭环控制实现精跟踪。通过仿真分析和试验测试,验证了机构跟踪精度可达0.065mrad、跟踪稳定度可达14.2μrad。该设计方法可为空间相似载荷的跟踪、扫描系统提供借鉴。     

某卫星挠性附件姿态动力学研究

根据导出的某有大型太阳帆板的挠性卫星数学模型,分析了模型中挠性振动对质心和姿态运动的影响,给出了卫星系统的动力学方程,并对帆板展开、卫星稳态运行的模型作工程化处理。分析和仿真结果表明：该方法能降低模型的复杂度,满足大型卫星的姿态指向精度和稳定度要求。     

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。     

空间遥感相机挠性支撑扫描装置测角精度标定方法

针对空间遥感相机挠性支撑扫描系统的测角精度标定问题,利用高精度经纬仪测量扫描镜摆动过程中采集的角度误差数据,研究了适用于空间复杂环境的分段误差补偿方法。利用光电自准直仪对扫描镜的零位进行监测,以解决经纬仪随时间、环境引起的零位漂移。根据高轨应用需求,分析了分段误差补偿法的必要性。将获得角度误差引入补偿系统,采用分段误差补偿法对测角电路进行标定。将测试结果与谐波误差补偿法标定结果对比,验证了分段误差补偿后系统的测角精度能够满足系统性能指标要求。最终确定了分段误差补偿法在空间遥感相机有限角度扫描系统高测角精度实现过程中的有效性。     

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。     

一种主动抑制太阳帆板挠性振动的控制策略研究

为提升高分辨率遥感卫星姿态控制精度,对主动抑制太阳帆板挠性振动的控制策略进行了研究。建立了由卫星平台、步进电机和太阳帆板组成的系统耦合动力学模型,分析了该模型的频率和阻尼比耦合特性。基于输入成型技术零极点对消的抑制振动原理,提出了对帆板原始转速指令进行整型并补偿电机定位转矩的控制策略:根据获得的系统各阶振动频率和阻尼比,设计各模态ZVD输入成型器,所有成型器卷积成综合成型器,原始帆板转速指令先输入综合成型器再输入电机以抑制各模态振动。数学仿真验证了该策略的原理可行性,表明控制策略能有效抑制帆板的挠性振动,且对设计参数误差和模型参数变化具较强的鲁棒性,有一定的工程应用价值。     

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。     

某卫星微振动建模与仿真

针对某卫星微振动力学环境,参考IME颤振分析建模方法,建立了一种卫星刚柔耦合多体动力学微振动仿真模型,并通过地面试验验证了利用微振动仿真模型预测卫星在轨微振动响应的有效性,阐述了卫星在轨微振动响应仿真计算预测方法。利用该微振动仿真模型能较准确地预测卫星在轨微振动响应以及微振动传递特性。     

挠性卫星振动抑制的变结构主动控制方案及实验研究

文章从工程角度出发，以具有挠性太阳帆板的卫星为背景，着重研究了挠性空间结构的低阶模型变结构控制方案。针对卫星的“飞轮—喷气”执行机构工作模式设计了算法简单的变结构控制律，并基于单轴气浮台全物理仿真系统成功地进行了国内首次挠性结构振动主动控制实验，取得了显著的控制效果。     

基于广义预测的双转动扫描系统同步控制

针对遥感相机扫描系统双转动装置的同步控制要求,提出一种基于广义预测模型的交叉耦合同步控制策略。建立基于广义预测控制的模型,结合交叉耦合同步控制策略,实现双转动装置的控制精度要求。为了使交叉耦合同步算法提供的误差在两个电动机中的分配更加合理,引入分配因子,并进行自适应选择,最终削弱由于系统特性的不匹配及环境的不确定性等因素产生的双转动扫描系统同步误差,使其满足控制精度的要求。通过仿真实验,发现随着预测步数的增大,系统的同步误差减小,控制精度提高,满足同步控制精度的要求,验证了所提出方法的有效性。