月球立方星姿态控制系统的初步设计与测试

立方星是一种模块化的微小卫星,在科学探测与专业人才培养等方面具有重要意义。针对目前立方星任务逐渐从近地轨道向深空扩展的发展趋势,以立方星月球深空任务为背景,利用商业器件设计并实现了初步的立方星姿态控制系统,以及姿态控制系统所必需的结构、电源、计算机等立方星子系统,同时给出了姿态测试平台的设计方案及其硬件实现。在所搭建硬件平台上,通过测量飞轮控制器的阻尼系数,对控制模型进行参数辨识与标定,获得了与数值仿真一致的实物测试结果。针对姿态控制系统设计了PD控制律,并在控制实验中实现了至任意姿态角的机动控制。     

基于扩张状态观测器的飞轮故障检测与恢复

飞轮是卫星姿态控制系统中的主要执行部件,实现其自主故障检测与恢复对于维持卫星正常姿态具有很重要的意义.在建立了精确飞轮开环系统模型的基础上,设计了二阶非线性连续扩张状态观测器ESO(Extended State Observer).将飞轮故障视为系统外扰,并假设其余外扰是小量可忽略,则利用此ESO不仅能实时得到飞轮开环系统的状态量,当飞轮发生故障时更能快速准确地估计出故障量.因而无需产生系统残差即可直接进行故障检测,同时根据故障量的大小对系统输入即驱动电压进行补偿,使飞轮转速仍能维持正常值,保证卫星姿态不受故障影响.数值仿真验证了此方法的有效性.      

微小卫星姿态控制系统半物理仿真设计及验证

针对利用反作用飞轮作为执行机构的微小卫星姿态控制系统,详细讨论了基于dSPACE实时仿真机、单轴气浮转台、星载计算机及陀螺和反作用飞轮实物的卫星姿态控制系统半物理仿真的方案设计;并利用该系统对仅用反作用飞轮的卫星姿态大角度机动控制模式进行了半物理仿真验证。仿真结果表明根据陀螺和反作用飞轮现有精度,设计的大角度姿态机动控制算法能够满足分系统技术要求,同时验证了半物理仿真系统方案设计合理、可靠。     

返回式卫星数字姿态控制系统及飞行试验结果

简要介绍我国返回式卫星上用的计算机数字姿态控制系统的方案;重点阐述姿态确定和相平面控制律的设计方法;最后简述飞行试验的结果。     

纯磁控微小卫星姿态控制研究

针对微小卫星速率阻尼、姿态捕获及三轴稳定的不同姿态控制模式,设计了采用纯磁控的控制律.首先以轨道坐标系为参考建立卫星模型,然后在卫星能量分析和Lyapunov稳定方法基础上,应用B-dot控制进行速率阻尼,给出了全局稳定能量控制来进行姿态捕获和三轴稳定控制的新方法,同时根据线性化的卫星模型,设计了常系数LQG控制律.仿真结果表明,B-dot可以有效地进行速率阻尼,能量控制策略适用于大角度姿态捕获和三轴稳定,稳定控制时LQG与能量控制相比具有更高的精度,但稳定度略差.      

资源三号卫星控制系统概述及在轨验证

资源三号(ZY-3)卫星是一颗民用高分辨率立体测绘卫星.针对ZY-3卫星特点,对控制系统方案进行概述.通过星敏感器相对基准的标定以及星敏感器和陀螺联合滤波实现高精度姿态确定;通过设计结构滤波器和磁卸载力矩的前馈补偿实现三轴高稳定度控制;通过轨迹规划实现大角度侧摆机动.根据卫星在轨运行数据,给出相应指标实现情况,对姿态控制系统的方案和指标满足情况进行在轨验证.     

空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制

考虑了任务星与废星的姿态运动以及系统组合体的面内外姿态运动,建立了绳系拖拽离轨系统动力学与控制模型,以切向常值推力下绳系拖拽轨道转移为任务过程,分析了任务星在喷气和零动量轮的限制姿态反馈控制条件下飞行时,废星姿态摆动、系统组合体面内外摆动和任务星姿态运动的规律及相互影响关系。采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制方法,并结合任务星姿态控制,确保绳系拖拽转移安全平稳进行。仿真结果表明:常值推力下绳系拖拽轨道转移时,牵挂点偏置诱发的废星姿态周期性摆动会激发绳系组合体的面内外同频率高阶摆动,星体姿态运动是任务星姿态扰动力矩产生的主要因素;采用张力复合控制可有效消除废星姿态摆动并保持星间相对距离,结合任务星姿态控制,可实现离轨过程的平稳与安全,大幅减少任务星的姿控能耗。      

速率模式飞轮姿态控制系统飞轮组合平稳切换方法

对速率模式飞轮姿态控制系统的能控性、稳定性和飞轮组合切换过程进行了研究，揭示了在飞轮组合切换过程中引起卫星姿态抖动的原因，提出了通过对残余角动量进行卸载并将卸载函数同时前馈到系统输入的方法，以保持卫星姿态的稳定度。从理论上证明了可引入残余角动量进行卸载，将卸载函数同时前馈到系统输入，并且不改变原系统的能控性和稳定性。给出了某卫星飞轮切换应用实例，说明了飞轮组合平稳切换方法的有效性。     

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。     

基于FDDPB方法的卫星姿态控制系统故障诊断

针对卫星姿态控制系统故障诊断问题,将执行机构及输出传感器的阶跃型和缓变型输出偏差统归于一种"参数偏差"型故障,介绍了改进的参数偏差型故障的实时检测与诊断 (FDDPB,Fault Detection and Diagnostics of Parameter Bias)算法,说明了此算法在卫星姿态控制系统执行机构和传感器故障诊断中的应用.引入卫星姿态动力学模型和飞轮模型,建立了算法仿真模型,选取执行机构阶跃型和缓变型故障作为故障注入条件,将该算法用于实验验证.仿真结果表明:该算法能够检测出系统发生的故障,且能够准确估计出故障幅值.      

Fengyun Satellites: Achievements and Future

Chinese meteorological satellite, Fengyun (FY) Satellite, has a polar-orbiting series and a geostationary series. Up to now, 5 polar-orbiting (FY-1A/B/C/D and FY-3A) and 5 geostationary (FY-2A/B/C/D/E) satellites were launched. FY data has been being intensively applied not only to meteorological monitoring and prediction but also to many other fields regarding ecology, environment, disaster, space weather and so and. The FY data sharing system, FengyunCast, is now one of the three components of global meteorological satellite information dissemination system, GEONETCast. The first satellite of the new generation polar-orbiting series, FY-3A, was launched on 27 May, 2008, demonstrating the FY polar-orbiting satellite and its application completed a great leap to realize three-dimensional observations and quantitative application. The first of the next generation geostationary series (FY-4) is planned to launch in 2014.      

System-level prognostics approach for failure prediction of reaction wheel motor in satellites

The reaction wheels actuated by motors are widely used for advanced attitude control of satellites. During the satellite operation, the performance of reaction wheel motor degrades and results in unexpected failures. To guarantee the reliability and safety of satellites, it is important to predict its remaining useful life while it is in operation. To address this issue, this study presents a system-level prognostics approach for the reaction wheel motor, by regarding it as a system composed of multiple components. The approach is demonstrated by using the motor operation data obtained during the accelerated-life tests on ground for 3 years. Health degradation of each components of the motor are estimated using the adaptive extended Kalman filter. Failure threshold of the motor performance is established by the design requirement on characteristic curve. The anomaly detection and failure prediction are performed using the shifting kernel particle filter.     

万向磁悬浮动量轮研究

目前大部分空间飞行器三轴姿态控制采用的是飞轮系统 ,其精度较高 ,而采用磁悬浮轴承支承的动量轮比普通的滚珠轴承动量轮有更高的姿控性能。在此基础上发展的动量矩方向可改变的万向磁悬浮动量轮可以单独实现三轴较高精度的主动姿态控制 ,具有重要的实用价值。同时 ,万向磁悬浮动量轮的研究也为集成能源与姿态控制系统的研究提供了技术支持。文意介绍了万向磁悬浮动量轮在国际上研究和发展的情况 ,概括了其中的关键技术 ,并给出了一种初步的结构设计实例。     

Observations from Fengyun Satellites

Fengyun (FY) Satellite has a polar-orbiting series and a geostationary series. Up to now, 7 polar-orbiting (FY-1A/B/C/D and FY-3A/B/C) and 7 geostationary (FY-2A/B/C/D/E/F/G) satellites were launched. FY data has been being intensively applied not only to meteorological monitoring and prediction but also to many other fields regarding ecology, environment, disaster and so on.      

基于LQR的小卫星磁姿态控制设计

 研究仅采用磁力矩器作为执行机构的近地小卫星姿态控制问题。通过对刚体卫星的非线性动力学和运动学方程在平衡点处进行线性化处理,得到一个线性周期时变系统,应用线性二次最优调节器理论设计出最优磁矩控制律。最后针对某小卫星进行了仿真验证,结果表明所设计的最优控制律可以很好地完成三轴姿态稳定任务。     

MEO导航卫星在轨放气产生的干扰力矩研究

摘要： 针对多颗MEO导航卫星太阳翼展开后产生比较明显的干扰力矩，对卫星稳定控制产生了一定影响的现象，本文根据动力学模型、姿态、角速度和飞轮转速变化，给出了干扰力矩计算方法，并结合多颗卫星在轨遥测数据进行计算，得出放气期间产生的干扰力矩.通过使用此干扰力矩进行仿真得出，卫星模拟器结果和在轨表现基本一致.此研究有助于优化卫星飞控流程，并指导卫星放气孔设计.     

小卫星动平衡研究--质心不对中对姿态的影响

首先定性分析质心不对中对星体动力学特性的影响，然后由拉格朗日第二类方程导出引力场下星体运动方程的矩阵表达式，最后以50kg级长方体3轴稳定小卫星为例，分析不同初角速度和不同时间历程情况下质心不对中对星体运动姿态的影响，并分析其对星体运动稳定性的影响．本文研究为同类品种小卫星的构型设计、姿态控制系统设计以及制定卫星动平衡精度提供依据。     

Recent Progress of Fengyun Meteorology Satellites

After nearly 50 years of development, Fengyun (FY) satellite ushered in its best moment. China has become one of the three countries or units in the world (China, USA, and EU) that maintain both polar orbit and geostationary orbit satellites operationally. Up to now, there are 17 Fengyun (FY) satellites that have been launched successfully since 1988. There are two FY polar orbital satellites and four FY geostationary orbit satellites operate in the space to provide a huge amount of the earth observation data to the user communities. The FY satellite data has been applied not only in the meteorological but also in agriculture, hydraulic engineering, environmental, education, scientific research and other fields. More recently, three meteorological satellites have been launched within the past two years. They are FY-4A on 11 December 2016, FY-3D on 15 November 2017 and FY-2H on 5 June 2018. This paper introduces the current status of FY meteorological satellites and data service. The updates of the latest three satellites have been addressed. The characteristics of their payloads on-boarding have been specified in details and the benefit fields have been anticipated separately.      

超低轨卫星气动舵机辅助姿态控制方法设计

针对超低轨卫星姿态控制差异化需求,开展了基于气动舵机辅助的姿态控制策略研究。完成了超低轨道稀薄大气下卫星气动舵机布局设计与气动特性研究,理论气动力可达10^-1 N量级,气动力矩可达10^-1 N·m量级。在此基础上,完成了基于气动舵机辅助的姿态控制策略研究。通过仿真验证,在x轴采用动量轮控制、y轴和z轴采用气动舵机辅助控制情况下,可实现优于0.004°的三轴指向精度和优于0.000 7(°)/s的三轴姿态稳定度。所设计气动舵机辅助姿态控制策略对超低轨卫星技术应用与发展具有重要技术价值和工程意义。     

基于周期变化惯量积的主动章动控制方法研究

偏置动量卫星姿态控制过程中会产生章动运动。若星体俯仰轴与其它轴存在固定的惯量积,则可以利用偏置动量轮有效地克服章动。针对转动惯量周期性变化的偏置动量卫星,提出一种通过在动量轮的控制律中引入时变的滚动轴信息,利用动量轮克服滚动轴／偏航轴章动影响的方法。通过数学仿真验证了该算法的有效性。