单框架控制力矩陀螺群的奇异几何分析

使用几何方法对单框架控制力矩陀螺群（包括转子恒速的CSCMG和转子变速的VSCMG）的奇异性进行了分析。通过绘制CSCMG的奇异角动量超曲面,并标识隐奇异和显奇异在该曲面上对应的点,直观地表述了CSCMG的可操纵空间,得出星体三轴角动量可交换的具体范围。比较奇异角动量超曲面图,可以看出金字塔构型在角动量饱和包络面内部存在显奇异,而五棱锥构型的显奇异十分接近饱和包络面。文中分析了金字塔和五棱锥两种构型的CSCMG可能的退化隐奇异点,并给出了退化隐奇异点在奇异角动量超曲面上的具体位置及其高斯曲率特性。对集成的能量和姿态一体化控制系统（IPACS）可能出现的无法操纵的情况进行了补充分析,给出了使用VSCMG的IPACS不会出现操纵奇异的构型设计的充分条件。给出在某一瞬时能量下,VSCMG转子角速率范围有限制时的角动量包络图,从中得到CSCMG与VSCMG角动量体的变化和联系。     

使用VSCMGs的IPACS的奇异性分析与操纵律设计

 研究使用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)的能量/姿态一体化控制系统(IPACS)的奇异性分析与操纵律设计问题。提出了VSCMGs的CMG奇异与IPACS奇异两种概念。对于给定的CMG奇异方向,采用优化理论得到了在该方向上VSCMGs的转子达到角动量饱和时的转速表达式,并给出了IPACS奇异的充要条件及其证明。分析了考虑星体角速度影响时的实际IPACS的奇异性质。在此基础上为实现合理的动量管理,采用加权矩阵的方法设计了IPACS的操纵律。最后通过算例验证了所得到的IPACS奇异判据的正确性,并通过数值仿真,验证了所设计的操纵律的正确性及其良好的动量管理性能。     

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。     

大型航天器SGCMG系统基于模糊决策的操纵律设计研究

作为航天器制导、导航和控制系统的执行部件，单框架控制力矩陀螺是较为理想的大型航天器姿控系统的选择，但是单框架控制力矩陀螺系统（ＳＧＣＭＧ）存在严重的奇异现象，增加了操纵律的设计与开发的难度。本文对ＳＧＣＭＧ系统的奇异性进行了分析，利用模糊决策的思想确定了奇异测度，根据奇异测度梯度搜索法设计了基于模糊决策的ＳＧＣＭＧ系统操纵律。仿真试验表明该方法有效地保证了系统能够回避可避的奇异状态，为大型航天器操纵律设计提供了新的思路。     

采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制

以框架角受限的金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构,研究了航天器欧拉姿态机动控制问题.考虑控制力矩及航天器角速度约束等因素,对已有的姿态机动控制律进行了改进,使其能实现绕欧拉轴的大角度姿态机动.同时考虑力矩陀螺框架角受限情况,通过适当加入空转指令对框架角进行重构,设计了复合控制形式的控制力矩陀螺操纵律,并通过过渡...     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

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.     

适用于控制力矩陀螺仪的以反馈为主的操纵定律

为了解决奇异点的消失问题，本文给出一种新的处理方法，观察指令扭矩和控制力矩陀螺输出扭矩之间有误差存在，经减小这种误差，可推导出的框架速率。从一种控制预期进行数学推导，最终的求解结果，在结构上得出一个非常类似于传统的奇异点鲁棒操纵定律。但是还是有些区别还要了解一下，所以在一个反馈回路中得出解法，而且该解法不需要矩阵逆和行列式的运算。     

基于退步法的敏捷航天器姿态控制方法

主要研究敏捷航天器大角度姿态机动问题。首先,以SGCMG(Single Gimbal Control Momentum Gyroscope,单框架控制力矩陀螺)为执行机构,建立了基于四元数的航天器姿态机动数学模型;然后,针对SGCMG的奇异问题,研究了基于力矩输出和回避奇异能力最优的联合操纵律;最后,基于敏捷航天器姿态误差模型和李雅普诺夫稳定理论设计了一种退步控制律。仿真结果表明,该控制方法能够很好地实现大角度机动目标并有效避免了SGCMG的奇异状态,满足姿态机动任务的控制精度和稳定度要求。     

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。     

Singularity radius gradient-based rapid singularity-escape steering law for SGCMGs

In order to visualize singularity of SGCMGs in gimbal angle space, a novel continuous bounded singularity parameter--Singularity Radius, whose sign can distinctly determine singularity type, is proposed. Then a rapid singularity-escape steering law is proposed basing on gradient of Singularity Radius and residual base vector to drive the SGCMG system to neighboring singular boundary, and quickly escape elliptic singularities. Finally, simulation results on Pyramid-type and skew-type configuration demonstrate the effectiveness and rapidness of the proposed steering law.     

A new steering approach for VSCMGs with high precision

A new variable speed control moment gyro (VSCMG) steering law is proposed in order to achieve higher torque precision. The dynamics of VSCMGs is established, and two work modes are then designed according to command torque:control momentum gyro (CMG)/reaction wheel (RW) hybrid mode for the large torque case and RW single mode for the small. When working in the CMG/RW hybrid mode, the steering law deals with the gimbal dead-zone nonlinearity through compensation by RW sub-mode. This is in contrast to the conventional CMG singularity avoidance and wheel speed equalization, as well as the proof of definitely hyperbolic singular property of the CMG sub-mode. When working in the RW single mode, the motion of gimbals will be locked. Both the transition from CMG/RW hybrid mode to RW single mode and the reverse are studied. During the transition, wheel speed equalization and singularity avoidance of both the CMG and RW sub-modes are considered. A steering law for the RWs with locked gimbals is presented. It is shown by simulations that the VSCMGs with this new steering law could reach a better torque precision than the normal CMGs in the case of both large and small torques.     

Spacecraft attitude maneuver control using two parallel mounted 3-DOF spherical actuators

A parallel configuration using two 3-degree-of-freedom (3-DOF) spherical electromag-netic momentum exchange actuators is investigated for large angle spacecraft attitude maneuvers. First, the full dynamic equations of motion for the spacecraft system are derived by the Newton-Euler method. To facilitate computation, virtual gimbal coordinate frames are established. Second, a nonlinear control law in terms of quaternions is developed via backstepping method. The pro-posed control law compensates the coupling torques arising from the spacecraft rotation, and is robust against the external disturbances. Then, the singularity problem is analyzed. To avoid sin-gularities, a modified weighed Moore-Pseudo inverse velocity steering law based on null motion is proposed. The weighted matrices are carefully designed to switch the actuators and redistribute the control torques. The null motion is used to reorient the rotor away from the tilt angle saturation state. Finally, numerical simulations of rest-to-rest maneuvers are performed to validate the effec-tiveness of the proposed method.     

Singularity analysis for single gimbal control moment gyroscope system using space expansion method

Control Moment Gyroscope (CMG) is an effective candidate for agile satellites and large spacecraft attitude control because of its powerful torque amplification capability. The most serious situation, however, in using CMG is the inherent geometric singularity problem, where there’s no torque output along a particular direction. Space expansion method has been proposed in this work for the singularity analysis. Based on inverse mapping transformation, an expanded Jacobian matrix which is a full rank square matrix is obtained. The singular angle sets of the 3-parallel cluster and pyramid cluster are distinguished using space expansion method. An effective hybrid steering strategy, able to deal with the elliptic singularity, is further proposed. Simulation results demonstrate the excellent performance of the proposed steering logic compared to the generalized singular robust logic and pseudo inverse logic in terms of energy consumption and torque error.     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

基于矩阵奇异值理论的颤振分析新方法

根据颤振分析的基本概念,提出了一类基于矩阵奇异值理论的颤振分析新方法。该方法的特点是,以计算颤振矩阵最小奇异值或条件数的倒数来直接搜索颤振临界点。证明了这两个指标在颤振临界点处的等价性。根据指标在颤振临界点附近取极小值的特点,编制了相应的算法,在确定颤振临界点时无需计算颤振特征根,避免了“窜支”问题,从而减少了人工干预,提高了计算自动化程度。数值算例结果表明,采用该方法计算得到的颤振临界速度和颤振频率与p-k法计算结果的精度相当,且两个指标对应的计算结果一致,验证了其等价性。