自旋小卫星姿态动力学建模与控制研究

研究探测近地空间自旋稳定小卫星姿态动力学建模与姿态控制问题,探测任务对该卫星姿态控制有着特殊要求。建模中特别考虑了自旋小卫星双侧伸杆扰动对其姿态运动的影响。利用自旋卫星的章动特性,设计了姿态一章动联合控制器,根据星体横向角速度相位和喷气力矩在惯性空间的方位来确定喷气时刻,采取先章动粗控与进动控制,后章动精控的策略。当卫星受空间扰动力矩长期作用产生较大章动角而需调姿进行轨道机动时,可以应用本控制器方便地调整自旋轴的指向。     

基于地球敏感器的地影下自旋卫星起旋转速确定

自旋卫星在星箭分离后必须及时可靠起旋,起旋转速确定是判断卫星是否起旋的前提条件.星箭分离时,采用太敏进行转速确定是最可靠最直接的方法,但在某些情况下,由于发射窗口的限制,导致卫星在地影期星箭分离,给起旋转速的确定提出了新问题.自旋卫星除了太敏外,通常还配备了地敏和加计作为姿态敏感器.加计用于测量自旋体的章动,如果起旋后的章动不明显,就无法测量周期,存在一定的不确定性.地敏一般用于同步轨道,在星箭分离时轨道高度仅有几百公里,将导致线路中的计数器溢出,给整个转速确定链路带来困难.本文提出的地敏测试方法,在计数器溢出多地中情况下,采用周期合成的方法计算自旋周期.本方法已成功应用于风云二号09星,同时可以为地敏在不同轨道条件下的应用提供参考.     

我国用探空火箭首次获得电离层顶数据

2016年4月27日02：00，中国科学院国家空间科学中心（以下简称空间中心）在位于海南省儋州市的中国科学院海南探空部成功发射了天鹰－3F空间环境垂直探测试验火箭。该火箭搭载的鲲鹏－1B探空仪开展了多项科学探测及技术试验任务，首次成功获得了电离层顶的原位探测数据，标志着我国已经具备了用探空火箭飞到更高高度的空间环境探测运载能力。     

为“子午工程”打造飞天神箭——航天四院天鹰系列探空运载火箭研制侧记

2010年6月3日凌晨4时,天鹰4A气象火箭携带中国首枚GPS探空仪海燕A成功发射,试验获得了中国低纬度地区高精度临近空间大气温度、压力和风场的完整探测参数。2011年5月7日上午7时,天鹰3C探空火箭携带鲲鹏一号探空仪再次成功发射,成为中国探空火箭飞行高度最高的一次,为中国火箭探空事业竖起了新的里程碑。     

回收系统中的悬挂体姿态运动模式分析

建立了12自由度的物-伞系统动力学方程,采用三个欧拉角来描述悬挂体的运动姿态,总结了悬挂体姿态运动的5种基本模式和3种典型的复合运动模式;并给出了运动模式的量化描述、各个模式与刚体姿态运动欧拉角描述之间的关系。通过算例说明上述结果具有一般性,对于回收系统悬挂体的姿态分析有参考价值。     

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.     

一种水下航行体运动参数测量系统的设计

针对航行体水下试验的要求,设计了一种水下航行体运动参数测量系统。从该系统的原理算法、硬件设计和软件设计等方面进行了详细的阐述。该系统以采用硅微传感器的姿态测量系统（以下简称MTi）作为惯性测量组合,导航计算机采集MTi中的加速度计、陀螺和磁力计的原始传感器数据,结合捷联惯导四元数算法更新姿态矩阵,对航行体的姿态、速度、位置进行实时解算并存储解算结果,试验结束后通过上位机对试验数据进行读取。该测量系统多次应用于航行体的水下试验,获得了航行体水下运动参数。经试验验证,该测量系统性能可靠,可以满足水下航行体的运动参数测量的需求。     

微捷联姿态系统的一种扩展卡尔曼滤波方法

采用低精度的微惯性陀螺和加速度计作为微惯性捷联姿态确定系统元件,首先分析了捷联惯性姿态解算的非线性问题和误差累积的原因;根据姿态三角函数关系引入横滚、俯仰角的3个替换变量作为状态变量,并根据状态变量之间的约束方程和运动体前向速度测量,建立了捷联惯性姿态的一种扩展卡尔曼滤波模型;采用MTi微惯性捷联测量组合进行实验,将该扩展卡尔曼滤波方法解算载体姿态结果与捷联姿态解算结果相比较,验证了该方法抑制惯性姿态解算累积误差的能力.      

双臂空间机器人姿态调整运动的最优控制规划

讨论了双臂空间机器人系统姿态调整运动的最优控制规划问题.以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人系统的动量矩守恒关系,并将其转化为系统状态方程;利用近似优化方法给出了一种双臂空间机器人姿态、关节协调运动的最优控制算法.其优点在于,仅控制双臂空间机器人的关节运动,即可同时获得载体姿态及机械臂关节需要的终端位置.系统数值仿真,证实了算法的有效性.      

挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制

针对挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制问题,提出了一种期望姿态运动规律解析模型和输出反馈自适应滑模控制律.通过定义期望姿态坐标系,将挠性航天器掠飞观测目标时的姿态指向运动转化为坐标系旋转运动.基于绝对轨道递推,推导出其掠飞观测目标时的期望姿态运动规律解析模型,进而建立了挠性航天器观测目标时的相对姿态动力学模型.在此动力学模型基础上,考虑惯量不确定性、挠性模态不可测和未知有界干扰,基于Lyapunov稳定性原理设计了含有惯量自适应律和挠性模态观测器的滑模控制律,给出了全局渐近稳定性证明.数值仿真结果表明,所建模型和设计控制律是有效的.     

Measurements of electrical breakdown in the vicinity of a sounding rocket differentially charged to 10 kV

During the initial period of high voltage biasing of the SPEAR-3 sounding rocket payload, it was observed that electrical breakdown occurred in the gas surrounding the rocket. The breakdown occurred almost all the way to apogee of 289 km on the upleg, but did not recur on the downleg until the payload reached an altitude of 100 km. It is suggested that this behavior can be attributed to payload outgassing on the upleg leading to abnormally high gas pressure near the payload skin. Consideration of a modified Paschen discharge process with varying pressure along the discharge path was found to be consistent with the results.     

Transient measurements of HV interaction with the ambient and perturbed space environment

Transient measurements of current collected by a rocket payload charged to several kilovolts negative with respect to the ambient plasma were made during the SPEAR-3 sounding rocket mission. The measurements were taken in short bursts at 1MHz, coincident with the application of the high voltage. The measured current is seen to rise approximately parabolically for approximately 15μs before rolling over into an exponential decay towards steady state current collection. The exponential time constant of 40 to 50μs is interpreted as the characteristic ion-collection sheath formation time for the SPEAR-3 payload.     

Cell fusion in space: plasma membrane fusion in human fibroblasts during short term microgravity.

During short-term microgravity in sounding rocket experiments (6 min.) the cytoskeleton undergoes changes and therefore it is possible that cell processes which are dependent on the structure and function of the cytoskeleton are influenced. A cell fusion experiment, initiated by a short electric pulse, was chosen as a model experiment for this sounding rocket experiment. Confluent monolayers of primary human skin fibroblasts, grown on coverslips, were mounted between two electrodes (distance 0.5 cm) and fused by discharging a capacitor (68 micro F; 250 V; 10 msec) in a low conductive medium. During a microgravity experiment in which nearly all the requirements for an optimal result were met (only the recovery of the payload was delayed) results were found that indicated that microgravity during 6 minutes did not influence cell fusion since the percentage of fused products did not change during microgravity. Within the limits of discrimination using morphological assays microgravity has no influence on the actin/cortical cytoskeleton just after electrofusion.     

无控固体火箭探空运载系统总体设计

由无控固体探空火箭和地面发射设备组成的运载系统是固体火箭探空系统的一个组成部分。文章介绍该运载系统在各研制阶段的设计内容,着重讨论总体方案选择的原则和总体参数设计的方法。     

转动载荷对卫星姿态的影响与控制研究

研究带有转动载荷和挠性附件的卫星姿态控制问题.基于具有广义坐标形式的牛顿 欧拉方法建立了卫星姿态动力学模型和转动载荷力矩模型,研究载荷产生的动不平衡力矩和静不平衡力矩的机理和特点.分析载荷干扰对卫星姿态的影响特性,给出基于传递函数进行拉氏变换以估算姿态抖动量的方法.分析卫星姿态控制系统设计干扰补偿控制器的条件,给出了控制器的工程设计方法.验证结果表明该方法有效且能提高卫星姿态精度.     

Energy deposition in the upper atmosphere in the EXCEDE III experiment

The EXCEDE III sounding rocket flight of April 27, 1990 used a 18 Ampere 2.5 keV electron beam to produce an artificial aurora in the region 90 to 115 km. A “daughter” sensor payload remotely monitored the low-energy X-ray spectrum while scanning photometers measured the spatial profile of prompt emissions of N₂⁺ (1N) and N₂ (2P) transitions (3914Å and 3805Å, respectively). Two Ebert-Fastie spectrometers measured the spectral region from 1800 to 8000Å. On the “mother” accelerator payload, the return current electron differential energy spectra were monitored by an electrostatic analyzer (up to 10 keV) and by a retarding potential analyzer (0 eV to 100 eV). We present an overview of the results from this experiment.     

基于观测器的平台无陀螺姿态复合控制

针对超静卫星星体平台无陀螺、载荷敏感器与星体平台执行机构非共基准安装时整星存在姿态异位控制问题,提出了一种基于观测器估计星体平台姿态的复合控制方法。首先,建立星体平台/Stewart平台/载荷的动力学模型,并获得Stewart平台作动器关节空间的等效动力学模型。针对关节空间等效模型,设计super twisting观测器,以作动器平动位移为输入,以载荷和星体平台之间的相对姿态和角速度为输出,实现星体平台姿态和角速度估计。其次,以载荷测量姿态信息为输入,设计Stewart作动器的积分滑模控制律,实现载荷高精度指向控制。以观测器估计的星体平台姿态信息为输入,设计星体平台控制器实现星体平台的稳定控制。Lyapunov稳定性分析表明所设计的观测器和控制器能够保证闭环系统渐近稳定。数学仿真结果表明：在星体平台有陀螺时,载荷能够实现0.1″指向精度;在星体平台无陀螺时,采用观测器估计星体平台姿态并进行控制,载荷亦可实现0.1″指向精度。     

用织女一号火箭在海南站探测的高空风和风切变

本文介绍了织女一号(ZN-l)火箭测风原理,数据处理方法和两次测风结果.结果指出,在我国低纬地区中层大气中存在非常明显的风切变和相当强的重力波扰动,测风数据与COSPAR国际参考大气CIRA1986及国际标准化组织航空用参考大气ISO5878-1982／ADD.1-1983存在明显差别.      

基于优化的羽流撞击消旋技术瞄准策略设计

针对自由翻滚目标卫星的消旋问题,使用化学推力器羽流撞击的方式进行消旋具有较高的可行性和安全性。当目标太阳翼法线与星本体自旋轴存在一定夹角时,需要对消旋推力器的瞄准策略进行设计,以提高控制精度和系统效率。目前国内外对于一般情况下瞄准策略的设计仍存在空白。基于参数化羽流撞击模型,对空间目标的动力学特性进行分析并给出典型工况,分析了羽流撞击力对相对位置姿态的敏感性,得到了瞄准策略设计的一般性准则,在此基础上设计了瞄准策略优化模型的完整表达。仿真计算表明,该瞄准策略适用于太阳翼法向相对期望消旋力矩方向存在一定夹角的情况,并且在保证力矩幅值较大的条件下令精度达到10°以内。该方法适用于太阳翼相对自旋轴倾斜和存在章动运动的目标卫星,从而为服务平台控制系统设计提供支持。     

基于地标信息的星敏感器低频误差标定方法

针对星敏感器及其安装结构热变形等因素引起的星敏感器低频误差(LFE)影响卫星姿态确定精度的问题,提出了根据有效载荷提供的地标信息,采用最小二乘算法标定星敏感器低频误差的方法.考虑到卫星姿态确定系统是为有效载荷服务的,为了使卫星姿态确定系统输出的姿态信息与有效载荷相一致,从而准确反映有效载荷的指向变化情况,星敏感器低频误差的标定以有效载荷提供的地标信息为观测量进行.仿真结果表明,所提方法能够有效减弱星敏感器低频误差对卫星姿态确定精度的影响,从而提高卫星姿态确定精度.