空间太阳能电站姿态运动-结构振动耦合建模与分析

针对多旋转关节空间太阳能电站构型，利用基于能量等效原理的连续体等效方法将其等效为柔性梁模型，并考虑重力梯度影响，建立了姿态运动与结构振动的耦合动力学模型；结合Runge-Kutta 法和Newmark法的优点，提出了适用于求解姿态运动与结构振动耦合动力学方程的改进算法，相比于经典Runge-Kutta 法大幅提高了效率；利用改进算法得到了不同参数下的动力学响应。在此基础上，推导了结构振动量级随结构尺寸的六次方量级增加的规律，仿真结果表明尺寸过大引发不稳定现象；分析了姿态运动和重力梯度对结构振动频率和振幅的影响；发现了姿态运动周期受结构柔性影响而增大的现象，这种现象在低轨以及大初始姿态角下影响更为明显。     

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

航天器弹性附件伸展动力学研究

利用动量矩定理推导出带伸展弹性板航天器的姿态动力学方程，在弹性板等速伸展的情况下，导出板的振动与伸展运动耦合微分方程，航天器姿态运动与板的伸展运动、振动耦合微分方程，通过龙格—库塔积分法得出了数值解，结果表明弹性板等速伸展时，其振动的振幅随板长度的增长而增大，航天器姿态角速度随板长度的增长而减小。弹性板等速伸展的速率越大，板振动的振幅越大。     

航天器弹性附件伸展动力学研究

利用动量矩定理推导出带伸展弹性板航天器的姿态动力学方程，在弹性板等速伸展的情况下，导出板的振动与伸展运动耦合微分方程，航天器姿态运动与板的伸展运动、振动耦合微分方程，通过龙格－库搭积分法得出了数值解，结果表明：弹性板等速伸展时，其振动的振幅随板长度的增长而增大，航天器姿态角速度随板长度的增长而减少。弹性板等速率越大，板振动的振幅越大。     

带挠性帆板的太阳同步轨道卫星的姿态动力学模型

本文研究一颗带固定的对称挠性帆板的太阳同步极轨道三轴稳定卫星的姿态动力学问题。首先给出考虑太阳帆板挠性影响时,卫星姿态动力学方程的一般形式。然后,在计入太阳帆板弯曲振动和扭转振动的情况下,导出了经线性化处理后的姿态动力学模型,并给出了所忽略的非线性项的计算公式。最后得到便于分析和设计卫星姿态控制系统的解耦形式的无量纲姿态动力学方程。     

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。     

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。     

抗干扰重力加速度积分粗对准算法

针对强角运动和线振动干扰下捷联惯导无法根据陀螺和加速度计的输出直接计算姿态阵的问题,提出了抗干扰重力加速度积分解析粗对准算法。该算法利用陀螺跟踪载体在惯性空间的角运动,利用重力加速度矢量在惯性空间投影的积分作为参考矢量进行对准以隔离角运动干扰的影响。根据参考矢量的时域特性,采用最小二乘算法对包含线振动干扰的参考矢量进行拟合,利用拟合结果进行姿态矩阵解算以抑制线振动干扰的影响。仿真结果表明,该算法既具有角运动干扰隔离能力,又具有线振动干扰抑制能力,能在强角运动和线振动干扰同时存在的条件下迅速完成粗对准。
     

现代小卫星的重力梯度姿态稳定系统

本文首先论述现代小卫星重力梯度稳定系统组成，其次建立数学模型，最后进行计算机仿真，研究初始姿态角速度、惯量比、飞轮角动量和伸杆时间等因素对姿态动态特性的影响。     

空间太阳能电站的准对日定向姿态

针对空间太阳能电站的俯仰姿态运动，提出一种能追踪太阳运动的准对日定向(QSP)姿态方案。此方案的太阳能电池阵列在万有引力梯度力矩的作用下，始终在垂直于太阳光的方向附近作幅值约为18.8°的振动，且几乎不需要姿态控制力矩。准对日定向姿态方案解决了大型太阳能电池阵列对日定向所需的巨大俯仰姿态控制力矩问题。准对日定向姿态的发电效率为对日定向姿态的97.3%，对Abacus空间太阳能电站而言每年可节省燃料约36791 kg。通过数值方法得到了准对日定向姿态的精确初始条件。随后，设计了比例-微分控制器，保证了系统存在初始姿态误差的条件下收敛到准对日定向姿态。最后研究了轨道、姿态和结构振动对准对日定向姿态的影响，并发现准对日定向姿态下的结构振动幅值比对日定向姿态减小约40倍。     

基于Rodrigues参数的视觉相对位姿确定算法

以Rodrigues参数作为姿态描述参数提出了一种视觉相对位姿确定算法。Rodrigues参 数作为一种简洁、高效的姿态描述法,适用于实时性要求高的视觉相对位姿确定,但它本身 的奇异性使其不能用于大角度的位姿确定。将视觉导航方法和无奇异姿态描述的Rodrig ues参数切换理论结合起来,推导了基于Rodrigues参数的视觉相对位姿解算模型,并给出了 这种相对位姿确定算法的流程。仿真结果表明该算法能很好地解决奇异问题,实现全姿态运 动情形下的相对位姿确定。
     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

基于鲁棒状态观测器的运载火箭姿态控制系统设计

考虑弹性振动和液体晃动,采用鲁棒观测器设计了运载火箭的姿态控制系统。将姿态角测量结果中弹性振动的影响视为外界干扰,利用状态观测器的低通滤波特性实现对高频弹性信号的衰减,同时状态观测器替代速率陀螺估计得到姿态角速度,以姿态角和角速度信号为输入,采用扭曲二阶滑模控制方法设计了姿态控制律,并从理论上对该控制律稳定液体晃动和弹性振动的原理进行了证明,对观测器变换矩阵的选择进行分析。数值仿真表明,在参数摄动和干扰的影响下,所提出的变结构控制律能够有效的跟踪控制指令,稳定系统姿态,具有较强的鲁棒性,同时鲁棒状态观测器能够准确的估计出角速度信息。     

挠性卫星的自适应模糊滑模控制

将自适应模糊滑模控制应用于挠性卫星的姿态稳定控制中 ,给出了详尽的实现方法。用一个自适应模糊控制器逼近滑模控制中的等效控制 ,推导了规则参数调整的自适应率 ,确定不连续控制以保证闭环控制系统的稳定性 ,用另一个模糊控制器光滑不连续控制以抑制抖振。仿真结果表明 ,该方法实现了较高精度的卫星姿态控制。     

连续力矩作用下的柔性航天器再定向与振动抑制

研究带两帆板航天器的三维再定向与振动抑制问题，执行机构为反作用轮。建立了柔性空间飞行器三轴耦合姿态动力学模型和四元数姿态运动学模型，建模时考虑了帆板的弯曲变形和扭转变形。采用拟欧拉角及角速度作为反馈信号，设计了一种ＰＤ控制律。该控制律可以用于对任意目标姿态的再定向而形式保持不变。用Ｌｙａｐｕｎｏｖ方法证明了姿态的渐进稳定性和模态振动和衰减性。非线性闭环系统的仿真结果验证了所设计控制律不仅能够使航天     

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。     

泡沫铝板弯曲振动特性数值研究

泡沫铝作为一种新型轻质高强度材料,是通过气泡层形成的多孔金属材料。文章结合泡沫铝的结构特点,以Timoshenko梁理论为基础,建立了泡沫铝板弯曲振动的理论模型,求解得到了泡沫铝板弯曲振动频率与振幅变化曲线,并通过有限元仿真验证了理论分析结果。通过求解泡沫铝板的频率特性确认了载人航天器使用的泡沫铝板的频率远离舱体基础频率,满足航天总装使用要求。最后,对比分析了泡沫铝材料弹性模量及密度的变化对泡沫铝弯曲振动基频的影响。随着泡沫铝弹性模量的增加,泡沫铝板的基频逐渐增加;随着密度的增加,泡沫铝板的基频逐渐变小。因此,可以通过改变泡沫铝的材料参数得到不同频率特性的泡沫铝,以满足航天器不同总装工况的使用要求。     

航天器装配定位机构的设计与实现

航天器装配定位机构是重要的技术改造项目之一,用于舱段精密对接与分解,其通过与空间定位系统、自动起吊装置的配合,实现舱段对接与分解过程的量化识别与自动控制。该机构主要设计有质心捕获、自动调平和旋转等功能,为舱段对接与分解提供基础支撑平台、航天器空间姿态调整和相关数据支持。文章阐述了航天器装配定位机构原理,并对其主要功能的实现方法进行了设计。