基于干扰观测的无阻力卫星控制器设计

以近地环境下无阻力卫星控制器设计为研究对象,分析近地环境下无阻力卫星主要的干扰源及干扰的特性,建立干扰的动力学模型,通过将干扰扩展为系统状态,建立基于干扰观测的无阻力卫星动力学模型,针对该动力学模型设计混合H2/H∞最优控制器,并以线性矩阵不等式（LMI）形式给出求解控制器的条件和证明控制器的稳定性,仿真结果验证本文提出控制器的稳定性和可行性。
     

基于大气阻力的卫星编队沿航迹方向的变结构控制

分析了大气阻力对近地轨道卫星轨道参数的影响,用变结构控制设计了基于大气阻力的编队构型沿航迹方向的控制。将中心的漂移距离和编队卫星的面质比之差作为输入量,设计滑模面进行编队控制,用极限环方式消除了在滑膜面附近的频繁切换。仿真结果验证了该控制律的正确性。     

大气阻力摄动对卫星编队飞行队形的影响分析

为了分析大气阻力摄动对卫星编队队形的影响,利用相对轨道根数法推导了包含大气阻力摄动的卫星编队相对运动的状态转移方程。仿真结果表明当几何形状和质量不同的两颗卫星在低轨道做编队飞行时,大气阻力摄动对编队队形的影响很大而不能忽略;当主卫星的半长轴相等时,主卫星轨道的偏心率越大编队飞行受大气阻力摄动的影响也越大;大气阻力摄动主要影响编队飞行迹向相对距离。     

基于近似生成函数迭代的分布式卫星构形最优控制研究

基于考虑地球非球形摄动的分布式卫星相对运动Hamilton力学模型和生成函数方法研究分布式卫星构形最优控制问题,针对生成函数法的高计算开销,提出了生成函数近似迭代方法.先以较低的计算代价,获得最优控制Hamilton系统生成函数的低阶近似,得到近似最优轨线,再将最优控制Hamilton系统相对于近似最优轨线求"相对运动",该"相对运动"仍具有Hamilton性质,利用其生成函数的低阶近似,对近似最优轨线进行迭代修正,从而以计算代价较小的低阶近似逼近计算代价高得多的高阶近似的精度.对圆参考轨道和椭圆参考轨道下的两种分布式卫星构形调整最优控制问题的求解表明,该方法在保持小计算开销情况下达到了高控制精度.     

基于J2项和大气阻力摄动的卫星编队保持方法研究

研究J2摄动和大气阻力对低轨编队卫星相对位置的影响,在此基础上给出一种编队保 持方案。文中定量分析了J2摄动对编队卫星三轴相对位置的影响,给出了大气阻力对编队 卫 星相对轨道要素影响表达式。在同时考虑两种摄动力前提下,推导给出了x方向受摄动 的漂移量Δx与编队卫星轨道长半轴之差Δa的周期变化量之间的解析关系式,基于 该关系式,设计了单边极限环形式的卫星长期编队保持控制方案。最后通过数学仿真验证了 该方案的可靠性,仿真结果与理论分析相符。该控制方案在计算控制量时只需知道编队卫星 的轨道长半轴之差,容易实现,为工程实践提供依据。
     

地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。     

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160 、400 和800 km 典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km 轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。     

轨道维持与机动的最优控制

从航天器的轨道运动学方程出发 ,运用线性离散系统最优控制理论 ,提出了一种用于航天器轨道维持与轨道机动的最优控制方法 ,建立了相关的最优控制模型并给出了求解该模型的算法。仿真计算结果表明 ,本文提出的最优控制方法是正确和可行的     

J2项和大气阻力摄动作用下卫星编队构型的演化分析

研究卫星编队构型在J2项摄动和大气阻力摄动作用下的演化进程。从相对运动动力学模型出发,分别加入J2项摄动和大气阻力摄动因素,采用数值积分对所获得的运动方程求解,得到参考星和环绕星在惯性坐标系中的绝对运动规律;将两星的绝对运动规律作差后,利用坐标转换矩阵,将惯性坐标系中两星的相对运动规律转换到Hill坐标系中。由于该方法没有经过任何简化,故研究摄动的影响时不存在误差。最后通过仿真分析,给出了J2项摄动和大气阻力摄动作用下卫星编队构型演化的相关结论,并提出进一步研究的方向。     

大气折射对光学卫星图像定位影响分析

研究了大气折射对光学卫星图像定位的影响。基于水平均匀球面分层模型,建立了定位误差与视线偏离角的关系,以SCIATRAN模型大气垂直廓线作为输入,计算了大气顶到目标大气各层的折射率,仿真模拟了不同卫星高度和不同位置目标的定位误差,以及光线波长、目标高度、折射率日变化等对定位误差的影响,研究结果可用于光学遥感卫星的图像定位与配准技术设计。     

仅有单个陀螺的Drag—free卫星初始速率阻尼模糊控制研究

研究了在仅有偏航姿态测量陀螺时,利用Drag—free卫星与其内部定向体间的相对状态观测值实现姿态确定的方法。针对Drag—free卫星的特点,建立了定向体的空间姿态观测模型和Drag—free卫星的姿态动力学方程,据此推导了用于姿态确定的Kalman滤波算法。为实现初始速率阻尼阶段Drag—free卫星的三轴姿态稳定,设计了模糊控制律。仿真结果验证了方法的有效性。     

无阻力卫星发展现状

以无阻力卫星的发展和相关技术为综述对象,首先介绍了无阻力卫星的概念,并比较无阻力卫星中位移模式和加速度计模式的区别和优缺点;其次分析了无阻力卫星的体系结构,将无阻力卫星控制系统分为无阻力控制回路、悬浮控制回路和卫星本体控制回路;然后描述了无阻力卫星中的检测质量、主要硬件的功能与特性,最后列出了无阻力卫星中主要的关键技术。     

微波成像仪扫描转动对卫星姿态的影响分析和控制实现

介绍了微波成像仪扫描运动方式,分析了微波成像仪扫描运动及对卫星姿态稳定性的影响,提出了微波成像仪扫描运动稳定性控制中天线静平衡、天线展开到位精度、转动体动平衡和整体动平衡状态的控制方法。给出了微波成像仪扫描平衡状态及在轨验证效果。结果表明：微波成像仪动平衡控制有效,达到了预期的姿态稳定性控制要求。     

基于算力路由的空间信息网络低时延在轨协同计算策略

针对当前空间信息网络（Spatial Information Network, SIN）地面数据处理模式中存在的高传输时延问题,提出了基于算力路由的低时延在轨协同计算策略。考虑到卫星网络的动态变化及卫星计算资源的异构性,提出了要素时空扩展图模型,以实现在屏蔽SIN动态性的同时对星上资源进行精确表征。在此基础上,构建基于算力路由的多星在轨协同计算数学模型,提出时延优化问题,并利用改进的异构最早完成时间（Heterogeneous Earliest Finish Time, HEFT）算法进行求解。仿真结果表明：卫星在轨协同计算可有效降低卫星数据的任务处理时延;同时,本文所提的改进HEFT算法以较小且可接受的收敛性能为代价,换取了业务处理时延的大幅度降低。     

低轨对地凝视卫星姿态模糊控制器设计

设计了一种用于低轨道小卫星对地凝视姿控的模糊控制器。根据刚体动力学导出的基于欧拉角的运动学和动力学方程,设计了对地凝视小卫星的姿态模糊控制器。仿真结果表明:与传统控制方法相比,该控制器具快速性和鲁棒性。     

三体随动跟踪式重力卫星姿态与无拖曳控制方法

采用非接触洛伦兹力执行器代替微推进系统,提出一种“质量块—载荷舱—平台舱”三体随动跟踪式重力卫星总体架构,避免传统低低跟踪重力场测量卫星设计中的质心波动与执行机构带来的动力学不确定性影响。其次,建立了该架构下的卫星姿轨耦合动力学模型,并在此基础上针对动力学非线性耦合项的影响,构建了一种基于带宽参数化自适应补偿的复合自抗扰控制方法,提升姿态与无拖曳控制性能。最后,采用数学仿真验证了所提出的重力卫星总体架构及其控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法有效提升了系统的频域性能。     

无阻力双星编队的满系数矩阵MIMO定量反馈控制

研究由两颗无阻力卫星构成的、用于重力场测量的松散式编队相对位置控制方法,主要解决编队控制所产生的非重力加速度在重力场测量频带内的干扰抑制问题。首先,选取双星位置中点作为编队系统质心,建立了考虑J2摄动项的双星相对动力学模型。然后,根据定量反馈理论（QFT）确定系统在频域内的跟踪性能、鲁棒稳定性、输入干扰抑制等约束。与当前常规的对角型QFT控制器设计方法不同,本文针对编队系统的多输入多输出（MIMO）通道强耦合特性,设计了更具一般性的满系数矩阵鲁棒控制器,不但实现了闭环控制回路整定、通道解耦和稳态收敛,还有效抑制了编队控制量功率谱在科学测量频带内的干扰。最后,通过在时域中的数字仿真校验了该方法控制器的有效性和鲁棒性。     

Microscope in orbit calibration procedure for a test of the equivalence principle at 10(-15)

The scientific objectives of the MICROSCOPE space mission impose a very fine calibration of the on-board accelerometers. However the required performance cannot be achieved on ground because of the presence of high disturbing sources. On-board the CHAMP satellite, accelerometers similar in the concept to the MICROSCOPE instrument, have already flown and analysis of the provided data then allowed to characterise the vibration environment at low altitude as well as the fluctuation of the drag. The requirements of the in-orbit calibration procedure for the MICROSCOPE instrument are demonstrated by modelling the expected applied acceleration signals with the developed analytic model of the mission. The proposed approach exploits the drag-free system of the satellite and the sensitivity of the accelerometers. A specific simulator of the attitude control system of the satellite has been developed and tests of the proposed solution are performed using nominal conditions or disturbing conditions as observed during the CHAMP mission.     

高精度低连接刚度大惯量扫描镜控制系统设计

针对三轴稳定卫星内低连接刚度条件下的大惯量扫描镜负载在低速摆动时易出现机械谐振的问题，基于电流-速度-位置三闭环控制结构，研究并提出一种有效的易于工程实现的优化控制方法，抑制机械谐振同时提高扫描镜系统的控制性能。首先，根据动力学关系对低刚度连接的电机与扫描镜控制对象建立理论的简化控制模型。然后，分析加速度反馈抑制谐振、提高系统控制性能的原因，并借助电流和位置反馈信号建立加速度观测器获取电机加速度并反馈，仿真分析该方法的优化效果。最后，在实际系统上进行实验检验，对比系统控制误差的变化。结果表明：提出的优化控制方法能够有效地抑制机械谐振，提高系统的控制带宽和动态精度。     

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。