三轴零动量卫星在轨转偏置动量控制的设计与实现

针对资源一号02B卫星运行中主份陀螺失效的问题,提出了通过在轨注入偏置动量控制程序到控制计算机(AOCC),将三轴零动量控制系统转为偏置动量控制加磁控的方案.给出了整星偏置动量控制器设计,通过在轨飞行数据分析了该方案的实施效果.该卫星转为无陀螺的偏置动量控制的成功经验,为三轴零动量卫星在关键部件(如陀螺、动量轮等)故障时实现高可靠运行提供了一种设计方案.     

一种长寿命、高可靠、高精度卫星姿态控制用惯性执行机构

介绍一种由4个15 N.m.s动量轮组成的惯性执行机构.该机构动量轮特有的轴系及其润滑系统设计赋予机构长寿命、高可靠、高精度的特点.机构本身的冗余设计思想和四动量轮高速偏置工作并组成整星零动量的工作模式进一步提高了机构的可靠性和高的控制精度.本机构在"中-巴,,合作研制的"资源1号"卫星中使用取得了成功.卫星已在轨工作超过2年半,从末发生故障而且有望再工作一年以上.卫星指向精度优于0.1(°),指向速率稳定度优于0.001(°)/s.     

一种抑制反作用轮低速摩擦对卫星姿态扰动的方法

在现代卫星的姿态控制系统中,反作用轮得到了广泛应用。但是当反作用轮的转速过零时,摩擦力矩会对卫星的姿态产生较大影响。本文采用基于特征模型的黄金分割自适应控制方法,建立了包括反作用轮在内的卫星系统的特征模型,并由此设计了控制律。仿真结果表明,该方法可以有效抑制反作用轮低速摩擦对卫星姿态的扰动,从而可以提高卫星姿态控制精度。     

欠驱动三轴稳定卫星的消旋和进动控制技术

针对三轴稳定卫星从高速自旋异常状态恢复到正常姿态的欠驱动问题,提出一种欠驱动的消旋和进动控制方法.对推力器的选取原则、"整数倍自旋周期全喷气"方式和"对称点喷"方式的消旋策略、脉冲调制方式的进动控制策略等进行介绍,给出实施步骤和工程处理办法.数学仿真和在轨验证结果表明了该方法有效、工程可操作性强.该方法不仅适用于星上自主控制,还适用于地面遥控控制.     

一种混合动量轮系的故障重构策略研究

针对卫星快速机动的需求,提出一种动量轮混合配置的策略,给出在系统故障重构且维持整星零动量情况下,混合轮系中各动量轮标称角动量的分配方法以及力矩分配矩阵的算法,使得重构后单轴能够输出最大力矩.计算结果表明新算法能有效降低小力矩动量轮饱和带来的不利影响,增强了系统的控制能力.     

基于CAN总线的控制系统地面仿真测试平台研究

针对采用CAN总线进行数据传输的小卫星和运载火箭控制系统开展地面仿真测试评估研究。基于CAN总线和以太网构成总线网络,构建卫星和运载火箭控制系统地面仿真测试评估平台,给出总线上各仿真节点和实物节点的软硬件设计方案,设计了机内测试模拟方案。仿真验证分析表明,利用该平台可以对卫星和运载火箭控制系统信号、总线运行情况、控制周期和网络时延等进行正确分析,为卫星和运载火箭控制系统方案评估、控制方法和快速测试方法研究等提供理论依据和技术支持。     

电液复合调节作动器的精确线性化建模与控制

针对经典泵控电液作动器固有频率低的问题,对原系统增加了一个新设计的总压力控制阀,它可保证作动筒两个工作腔的压力之和始终为一常数并使两腔压力可控,从而使泵控系统达到和阀控系统相当的固有频率.这种改进型作动器称为EHCA(Electro-Hydraulic Compound regulating integrated Actuator).针对存在的相乘非线性控制问题,通过分析EHCA和总压力控制阀的工作原理,设计了基于精确线性化方法的滑模控制器,并分析了电机转速和变量泵排量在不同工况下的控制量大小配合问题.分析和仿真证明,该设计思想是有效实现高效率、节能和快响应的电液组合作动器方案.     

考虑控制饱和的卫星姿态控制器设计

研究了基于修正罗得里格参数的刚体卫星在控制输入受限时的姿态控制问题。首先提出了一种全状态反馈姿态控制器的设计方案,并通过李亚普诺夫方法证明了闭环系统零平衡点的全局稳定性。然后针对姿态角速率信号不可测量的情形,设计了一种仅依赖修正罗得里格参数信息的输出反馈控制方案。另外,通过在所提出的控制方案中引入双曲正切饱和函数,推导出只需控制参数的选取满足某一限制条件,就能有效地抑制控制输入的饱和问题。仿真结果表明,所设计的控制方案有效、可行。     

偏置动量系统中的挠性天线指向控制研究

从工程实践角度,探讨了在目前广泛采用的偏置动量轮三轴姿态稳定卫星上,进行大尺寸（３～５ｍ）和高指向精度（０．０５°）的挠性天性指向控制问题。在建立具有挠性天线的星体动力学模型,以及在借鉴和改进有关抑制挠性天线振动研究的基础上,设计了三轴稳定卫星平台上的挠性天线指向控制系统的方案。最后,根据数值仿真结果,给出了影响挠性天线指向精度的主要因素。     

一种高性能控制力矩陀螺框架控制方法的仿真研究

由控制力矩陀螺群构成的姿态控制系统是目前敏捷卫星实现姿态快速机动和精确控制的最佳选择,而低速框架的控制精度、响应速度与稳定性直接决定了控制力矩陀螺的工作性能.针对敏捷卫星对控制力矩陀螺工作性能的高要求,本文提出了一种框架的高性能控制方案——基于永磁同步电机及磁场定向控制算法,并结合框架角速度观测器的直接驱动控制方案.在框架角速度极低时,为解决角度传感器的分辨率无法满足控制精度要求的问题,引入Luenberger状态观测器获得框架角速度的观测值,并将该观测值引入框架角速度闭环控制系统.理论分析、仿真实验的结果证明了该方案的有效性.随后,针对电机参数漂移对观测值的影响进行了仿真分析,仿真结果证明了基于观测器的角速度闭环控制系统的鲁棒性.     

“风云一号” B 卫星姿态控制系统

“风云一号”气象卫星姿态控制系统采用了三轴稳定对地定向的主动控制方案。已发射了两颗（Ａ、Ｂ）卫星,其中Ｂ星是在Ａ星主控系统的基础上,增加了一个完整的备份系统,采取一系列冗余措施并设计全方位姿态重新捕获的故障对策。经飞行试验及在轨故障应急处理证明,系统设计是完善和成功的,其中反作用飞轮控制、偏置动量控制、磁章动进动和飞轮卸载控制、全方位姿态重新捕获方案在中国是首次采用,均取得了较好的飞行效果,为长寿命卫星姿态控制系统的设计积累了宝贵经验。     

2-SGCMGs与磁力矩器的对地姿态混合控制方法

针对故障后仅剩两单框架控制力矩陀螺（SGCMG）可工作的对地定向三轴稳定卫星姿态控制问题进行了研究，提出了2-SGCMGs系统与磁力矩组合的混合控制策略及方法，以克服两SGCMG欠驱动控制的鲁棒性问题。首先，给出2-SGCMGs零动量方式的标称框架角构型选择计算过程。然后，结合标称框架角构型，构造了一种不同于沿传统体轴的新型控制标架，将三维控制力矩指令空间分解为由SGCMG与磁力矩器分别控制执行的两正交子空间，实现对力矩输出特性差异较大的该两类执行机构的控制解耦，进而对不同子空间控制指令给出2-SGCMGs系统框架角速度指令及含磁卸载在内的磁力矩器磁矩指令的求解算法。最后，针对存在外界扰动的卫星对象，由数学仿真验证了所提出策略及方法的有效性，实现了姿态误差小于0.05°且稳定度优于0.0005°/s的控制性能，可满足一般高分辨率对地遥感卫星控制需求。     

零动量卫星轮控系统可重构性设计研究

针对卫星姿态控制系统设计中常见的动量轮配置问题,总结了星上常用的5种轮控系统构型,首先对各种构型从角动量包络、干扰力矩下动量轮的饱和情况、系统功耗和可靠性等方面进行了可重构性分析和比较,在此基础上提炼了动量轮可重构性设计准则,可为轮控系统的设计提供参考依据。     

基于偏置角动量的欠驱动航天器姿态保持控制

对有扰情况下欠驱动航天器三轴姿态保持控制问题进行了研究,提出一种基于俯仰偏置动量轮和滚动轴推力器的姿态保持控制方法。该方法基于偏置动量航天器滚动-俯仰轴耦合的原理实现,避免了欠驱动零动量航天器平衡点附近欠驱动轴耦合弱的问题;将航天器的姿态运动分为长周期运动和短周期运动,用极点配置方法进行控制律设计,给出保证系统稳定的参数选取范围,求出了系统稳态误差。最后,通过数值仿真验证了所设计的控制器不但能快速消除初始姿态偏差,而且能抵抗外干扰将航天器姿态保持在平衡点附近。     

改善航天器反作用轮扰动实验模型参数的辨识方法

反作用轮系统是影响航天器姿控系统精度的主要扰动源之一.建立反作用轮扰动模型的目的是预测扰动对航天器产生的影响,并采取相应的控制方法和隔离系统.基于反作用轮的扰动实验模型,通过对反作用轮扰动实验数据的分析,确定出反作用轮扰动实验模型中的参数:谐波数和幅值系数,并在此基础上提出了能量补偿法,最后进行了数值仿真.结果表明,谐波数的辨识精度不超过0.04%,当采用振幅谱法计算幅值系数时,误差高达15.5%;而用能量补偿法,其幅值系数的精度不超过1.1%.可见能量补偿法提高了幅值系数的辨识精度.本文研究为改善航天器姿态控制精度和稳定度奠定了一定的基础.      

具有控制时滞的电动加载系统迭代学习复合控制

针对无人机前轮转向操纵系统中机电作动器的负载模拟需要，设计了一种用于复杂交变载荷模拟的电动加载系统。为了降低电动加载系统的控制时滞和多余力矩对系统精度的影响，提出了一种PID控制与迭代学习控制相结合的加载力矩复合控制策略。介绍了电动加载系统的主要组件并给出其数学模型，分析了电动加载系统多余力矩产生的原因，提出了系统控制延时时间的测量方法，设计了基于迭代学习控制与传统PID控制的复合控制器，分析了迭代学习控制器的收敛条件，分别通过多余力矩抑制和动态力矩加载实验验证了控制策略的有效性。与传统的反馈控制加前馈补偿方法相比，所提方法能够消除控制时滞和多余力矩对加载系统的影响，保证电动加载系统的力矩加载精度。      

基于峭度熵与分层极限学习机的动量轮轴承故障诊断研究

动量轮是卫星姿态控制系统的关键部件，其可靠性直接关系到整星寿命与安全。作为动量轮的核心组件，轴承易于发生故障，且独特结构和复杂运行环境导致监测信号信噪比低，早期故障诊断困难。针对这种情况，对变分模态分解和峭度熵结合的特征提取方法进行研究，获得动量轮轴承监测信号中的微弱故障特征，并建立特征向量。引入分层极限学习机，对结构和编码方法进行优化后用于轴承故障的识别。最后，将提出的方法用于实际故障的诊断，并通过与传统ELM方法比较，得出提出的方法在动量轮轴承故障诊断中具有更高的诊断精度，达到98.5%。     

基于广义S变换的空间锥体进动微多普勒分析

锥体进动特性是用于空间目标识别的重要依据之一.为了研究这一问题,提出一种基于广义S变换的空间锥体进动微多普勒特性分析方法.根据锥体进动的物理运动过程建立了相应的数学模型,推导出锥体进动微多普勒频率的理论表达式,并通过仿真结果验证其正确性.该模型采用共原点的目标多坐标体系,使其仅存在旋转关系,从而简化了模型的结构与计算复杂性.在此基础上,利用广义S变换实现了对模拟雷达进动回波的微多普勒特性分析.在不同信噪比条件下的仿真结果表明:该方法时频分辨性较好,而且具有较高的鲁棒性.     

考虑耦合效应的动量轮扰动测量

动量轮微振动是影响卫星姿态控制精度的重要因素.测量动量轮扰动的目的是掌握其扰动规律,进而采取相应的控制方法和隔离技术.由于动量轮的扰动频带很宽,扰动会与测试台的固有频率产生耦合.应用"动质量测试法"来定量地考察测试台刚度对扰动力测试的影响,并建立动量轮的力学模型,以得到不受影响的纯扰动.设计两种不同刚度的测试平台进行扰动测试.应用放大系数对测试结果进行修正,得到消除测试平台刚度影响的测试结果并进行比较.比较结果表明:动质量测试与理论建模结合法能够得到测试台的刚度对测试结果的影响.