空间站姿态/动量联合非线性控制

从Lyapunov稳定性理论出发,设计了一个非线性控制器,实现了空间站姿态和控制力矩陀螺角动量的联合控制。在此基础上,为抑制周期性环境干扰力矩对姿态控制性能的影响,引入了周期性扰动抑制滤波器,对非线性姿态/动量控制器进行了改进。改进的控制器不但可以抑制空间站姿态的周期性波动,而且可在满足特定飞行任务的前提下,建立空间站指向和控制力矩陀螺动量管理间的折中。控制器参数物理意义明确,易于调整。对空间站姿态控制/动量管理系统的仿真结果表明,该控制器是可行的。     

空间站姿态控制系统实时仿真研究

研究了五棱锥构型的单框架控制力矩陀螺群作为执行机构的空间站姿态控制系统的实时仿真问题.根据空间站姿态控制系统的实时分布式仿真要求设计了仿真节点结构,综合了四种网络连接形式构建系统的实时网络环境,说明了仿真系统软、硬件平台的选择,以及系统仿真中的调度设计问题.最后对整个系统进行了分布实时仿真,运行结果说明了这种空间站姿态控制系统方案是可行的.     

四元数在伴随卫星姿态控制中的应用

针对传统的欧拉角方法不适用于航天器大幅度姿态机动运动的数值仿真。研究了用四元 空间站伴随卫星的姿态控制问题。介绍了空间站伴随卫星的概念及任务;根据航天器动力学方程,利用李雅普诺夫直接法推导出用四元数表示的空间站伴随卫星姿态控制律,并对该控制律进行了仿真计算,仿真结果表明,所推导的控制律能对空间站伴随卫星进行准确、快速的姿态控制。     

航天器快速绕飞姿控脉宽调制研究

针对航天器快速绕飞姿态控制和脉宽调制,提出了脉宽调制指令算法,结合航天器转动惯量、期望状态、控制力矩等进行了姿态控制可行性分析。基于误差四元数的姿态滑模控制,结合不同的控制力矩和脉宽调制档次,采用姿态角误差分析了脉宽调制、控制力矩、姿控精度的关系。通过数值仿真,验证了脉宽调制控制指令的有效性和姿态控制应用的可行性。     

利用变速控制力矩陀螺的航天器集成能量与姿态控制

 利用变速控制力矩陀螺(VSCMG)的航天器姿态与能量一体化控制问题。针对以VSCMG为姿态控制执行机构的刚体航天器设计了全局渐近稳定的姿态跟踪控制律。将VSCMG的框架角速度和转子角加速度作为控制输入向量设计操纵律。利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入向量，并用与之正交的控制输入向量来以给定的功率存储/释放能量。提出了同时表征力矩陀螺模式构型奇异和转子轮速平衡的混合指标函数。对控制自由度有冗余的系统，在混合指标函数的基础上利用梯度法构建了VSCMG的空转运动，以回避力矩陀螺模式的构型奇异，并同时减小转子转速差过大引起的转速饱和以及VSCMG零奇异的可能性。利用反馈转子动能的方法规划日照期间的储能功率，以维持系统长时间工作的能量平衡。基于某太阳同步轨道卫星的数值仿真结果验证了系统的有效性。     

误差四元数及其在航天器姿态控制中的应用

以四元数作为定位参数对航天器进行姿态控制。首先导出了误差四元数矢量,从而解决了航天器姿态控制中最终姿态表示的非单值性问题;其次,通过一个典型例子提出了非线性三轴姿态控制方法,该方法以误差四元数作为反馈量,以控制力矩陀螺作为执行元件,利用李亚普诺夫函数对非线性系统进行控制,为大型航天器的姿态控制开辟了新的途径;最后,给出了仿真结果,从而说明了以误差四元数作为定位参数的航天器姿态控制法具有计算速度快、计算精度高等优点。     

空间站组装时的姿态指令优化

在空间站组装过程中需采用机械臂进行有效载荷操作,此时组合体的姿态控制一般采用核心舱控制力矩陀螺(CMG)完成。一旦CMG角动量饱和,则需要进行喷气卸载,进而可能引起严重的控制/结构耦合。因此对核心舱的指令姿态进行优化处理,使得CMG进行姿态控制时的角动量峰值最小,就可为舱段转移时不进行CMG角动量卸载提供了可能。     

重力测量卫星三轴稳定模型预测控制方法

基于卫星重力测量姿态控制任务需求,提出了一种基于模型预测控制的三轴姿态稳定控制方法.给出了将控制力矩和扰动力矩分别作为控制变量和测量扰动的线性化方程,并将推力大小及其变化量作为约束条件.基于离散化状态方程,提出了满足多种约束条件的预测控制方法.通过数学仿真表明了模型预测方法对内编队卫星三轴稳定控制的有效性和可行性.     

空间站姿态控制的一种新算法

以四元数作为定位参数对空间站进行姿态控制。首先给出了以四元数表示的系统动力学西式其次提出了非线性三轴姿态控制方法,该方法是以四元数作为反馈量,控制力矩陀螺作为执行元件,利用李亚普诺夫函数对非线性系统进行控制,为大型航天器的姿态控制开辟了新的途径;最后以一空间粘为例进行了姿态控制仿真计算,从而说明以四元数为定位参数的空间站姿态控制方法具有计算速度快、计算精度高等优点。     

采用变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态跟踪和稳定控制研究

研究以变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)为主执行机构的卫星功率/姿态一体化控制(IPACS)问题。针对卫星的三轴稳定控制和相对惯性系的姿态跟踪问题分别设计了两类自适应控制器,二者都考虑了执行机构的动力学特性,并进行了稳定性的证明。其中前者采用相对姿态描述,可以避免三轴稳定飞行中因惯性姿态旋转方向的选择而引起的控制力矩突变;后者采用改进的罗得里格斯参数(MRPs)描述姿态,简化了控制器设计过程并避免了运动学奇异。对姿态误差的描述,前者采用小姿态角假设下的偏差形式,后者采用现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵,更具有合理性。设计了能够逃离奇异、并具有轮速平衡功能的VSCMGs的操纵律,并应用磁力矩器为VSCMGs进行动量卸载。最后,通过两个算例进行了仿真,验证了所设计系统的可行性和有效性。     

ROBUST H∞ DESIGN OF THE ATTITUDE CONTROL/MOMENTUM MANAGEMENT SYSTEM FOR A SPACE STATION

Through input-output decomposition of structured parameter uncertainties of the controlled plant, the robust control problem of space station attitude system with parameter uncertainties is converted to a conventional disturbance rejection H∞ controller design problem, then a full-state feedback H∞ robust controller is formulated, which can be solved using the Glover-Doyle algorithm. The proposed method was applied to the attitude control/momentum management (ACMM) system of a space station, and two kinds of parameter uncertainties which appear most frequently in spacecraft engineering were considered. Simulation results showed efficiency of the given method.     

空间大型机械臂系统载运轨迹优化方法

针对在搬运及组装数十吨级负载过程中,空间站用大型机械臂会对空间站载体姿态产生扰动的问题,提出了一种笛卡尔轨迹参数化方法。利用基于广义雅克比矩阵（GJM）的分解运动速度控制和优化算法来实现基座姿态扰动控制,建立了反映载体姿态变化的目标函数。基于关节运动范围及避免动力学奇异等约束,采用粒子群（PSO）算法进行目标函数的优化,有效降低了空间大型机械臂系统在搬运重型负载过程中对载体姿态的影响。仿真结果验证了算法的有效性。     

Line-of-sight pointing stability for "drifting" satellites

Explored here is the feasibility of a new attitude control approach for satellites in high altitude elliptic orbits, in order to compensate for the effect of longitudinal periodic drift relative to the ground station. A simple attitude control technique using tethers has been proposed for achieving the fixed apparent satellite orientation with respect to the ground segment of the space mission. Combining the proposed feedback tether length control law with the analytically developed open-loop control policy results in a significant improvement of the controller performance. To illustrate implementation of the proposed concept, the particular case of 24 h elliptic orbits has been considered. A high degree of satellite pointing along the drifting line-of-sight made possible even with modest tether lengths makes the concept particularly attractive.     

纳卫星变轨段质量矩姿态控制系统设计

提出应用质量矩控制技术实现纳卫星轨道机动过程中的姿态稳定控制。在设计出质量矩滑块构型后,利用动量和动量矩定理推导了八自由度(DOF)动力学模型,并根据动力学分析结果建立了简化控制模型。以此为基础,基于全局滑模控制理论设计了俯仰偏航通道姿态稳定和滑块位置跟踪的鲁棒控制器,并在参数不确定性条件下对控制系统进行了仿真,结果表明:所设计的二维质量矩控制系统能快速控制卫星姿态,并对系统扰动具有较强的鲁棒性,可以应用于纳卫星变轨段的姿态控制。     

跟踪弹道导弹时预警卫星姿态前馈协同控制

基于角动量守恒定理,推导了跟踪弹道导弹时,具有活动部件的预警卫星姿态前馈协同控制。该控制算法基于角动量守恒方程估计红外相机运动产生的角动量扰动以及为抑制该扰动所需的期望飞轮转速,将期望飞轮转速与实际转速的偏差作为前馈信号加入到传统控制系统中,推导出预警卫星姿态前馈控制模型。最后通过数值仿真验证了控制方法,仿真结果与理论分析具有很好的一致性。并且该控制方法简单、可靠,能够适应卫星在轨实时控制。     

Detumbling strategy based on friction control of dual-arm space robot for capturing tumbling target

The rotational motion of a tumbling target brings great challenges to space robot on successfully capturing the tumbling target. Therefore, it is necessary to reduce the target’s rotation to a rate at which capture can be accomplished by the space robot. In this paper, a detumbling strategy based on friction control of dual-arm space robot for capturing tumbling target is proposed. This strategy can reduce the target’s rotational velocity while maintaining base attitude stability through the establishment of the rotation attenuation controller and base attitude adjustment controller. The rotation attenuation controller adopts the multi-space hybrid impedance control method to control the friction precisely. The base attitude adjustment controller applies the dual-arm extended Jacobian matrix to stabilize the base attitude. The main contributions of this paper are as follows: (1) The compliant control method is adopted to achieve a precise friction control, which can reduce the target angular velocity steadily; (2) The dual-arm extended Jacobian matrix is applied to stabilize the base attitude without affecting the target capture task; (3) The detumbling strategy of dual-arm space robot is designed considering base attitude stabilization, realizing coordinated planning of the base attitude and the arms. The strategy is verified by a dual-arm space robot with two 7-DOF (degrees of freedom) arms. Simulation results show that, target with a rotation velocity of 20 (°)/s can be effectively controlled to stop within 30 s, and the final deflection of the base attitude is less than 0.15° without affecting the target capture task, verifying the correctness and effectiveness of the strategy. Except to the tumbling target capture task, the control strategy can also be applied to other typical on-orbit operation tasks such as space debris removal and spacecraft maintenance.     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。