卫星姿轨控制对大型柔性索网天线在轨指向影响分析

文章针对星载天线大尺寸、大柔性,引起卫星姿轨控时卫星本体姿态运动与柔性天线自身弹性变形相互耦合,进而导致天线指向精度下降的问题,提出了一种计算卫星姿轨控制引起的大型柔性天线在轨波束指向偏差的计算方法。首先,结合有限元法和混合坐标法,通过理论推导,建立了卫星与大型柔性索网天线刚柔耦合动力学模型;然后,以某在轨成像卫星东西位保为例,通过有限元法对该柔性索网天线进行模态分析,得到描述天线弹性振动的模态矩阵与质量矩阵,结合天线的模态矩阵、质量矩阵及天线与卫星本体的坐标转换关系,得到天线振动相对于星本体坐标系的平动耦合系数与转动耦合系数,再与星本体的刚体运动参数组合起来,求解卫星天线刚柔耦合动力学模型,即可得到天线实际振动位移。最后,根据天线实际振动位移进行天线型面拟合,并选取其最差型面进行了天线电波束指向仿真。仿真结果表明,天线方位向的波束指向偏差最大为0.0576°,可为天线在轨指向设计提供依据。该算法同样适用于卫星其他姿轨控制工况。     

偏置动量卫星耦合通道外干扰力矩补偿方法

为实现偏置动量卫星滚动-偏航耦合通道外干扰力矩的前馈补偿,根据两通道的姿态动力学模型,从理论上分析了包括常值与周期干扰的外干扰力矩对滚动-偏航姿态的影响。由此导出飞轮前馈补偿项的数学表达式,并论证了引入外力矩对飞轮角动量进行卸载的必要性。仿真结果表明,该法能有效削弱外干扰力矩对星体姿态尤其是偏航姿态的影响,大幅提高星体控制精度。     

中继卫星单址天线驱动控制系统设计

针对中继卫星单址天线与星体之间存在耦合效应以及单址天线需要高精度指向用户卫星的特点，将天线驱动控制系统作为星上一个相对独立的系统进行了设计。首先推导出了由两相永磁步进电动机驱动单址天线转动的动态方程，描述了系统存在的模型不确定性。考虑到步进电机的非线性特征，用DQ变换进行了反馈线性化处理，在此基础上设计了天线驱动控制系统的H∝回路成形控制器，并对所设计的控制器进行了鲁棒稳定性和鲁棒性能分析。数学仿真表明：提出的控制策略能使单址天线获得较高的指向精度，同时减小天线对星体平台的耦合影响.     

卫星姿控系统中的飞轮

飞轮又称动量轮或惯性轮,是卫星姿控系统中的执行元件,并对星体有稳定作用。卫星执行机构分两类:一类是质量喷射,包括各种喷气机构和离子推力器;另一类是动量交换,各种飞轮执行机构均属此类。一般认为:长寿命卫星姿控系统用动量交换产生控制力矩比用质量喷射更为适宜,主要理由如下: 1.飞轮为连续控制执行机构,能给出较精确的控制力矩和较高的控制速率。质量     

带柔性部件卫星耦合动力学建模理论及仿真

本文利用Ｊｏｕｒｄａｉｎ速度变分原理和集中质量有限元法建立了太阳帆板变形运动与星体大范围刚体运动之间的相互耦合的程式化动力学方程；用数值方法仿真了系统的动力学性能，给出了三种卫星动力学模型并比较了三种卫星动力学模型之间的差异；指出了目前工程实际中所用动力学模型的不足，进而提出了合理的卫星耦合动力学模型。     

一种柔性多体动力学建模方法及其工程应用

针对具有多轴天线驱动、机械臂运动、空间站舱段转位等多体运动特征的航天器,提出了一种基于浮动基座和树形拓扑结构的柔性多体动力学建模方法,用于计算机建模和与控制系统联合仿真。基于拉格朗日方程和有限元方法所建立的动力学方程考虑了大角度刚体相对转动、弹性部件振动、柔性关节变形特性。将此建模方法程序化并应用于工程实际,可解决此类航天器复杂的机构运动与弹性振动的耦合动力学建模问题,实现完全自主的动力学建模、模型代码输出和控制联合仿真功能,为此类航天器的动力学特性分析及其控制系统设计与系统级仿真验证服务。结合带多轴驱动天线和大型柔性天线的整星对象,采用该方法建模并就系统频率、频率响应、时间响应与商业柔性多体软件Adams进行对比,结果显示二者一致性良好,验证了该建模方法及其软件实现的正确性和通用性。     

多体卫星复合控制物理仿真试验系统

对于具有星间链路天线的多体卫星而言 ,进行星体姿态和天线指向复合控制的地面物理仿真试验研究是一个重要课题。本文主要叙述利用单轴气浮台模拟卫星姿态运动 ,由天线框架驱动机构 (GDA)实物连接组成的多体卫星平面运动动力学环境下的物理仿真试验系统。     

基于变惯量反作用飞轮的小卫星大角度姿态机动控制研究

研究以变惯量反作用飞轮作为执行机构的小卫星的大角度姿态机动控制问题。变惯量反作用飞轮是一种新型的动量交换装置,不仅可以通过改变飞轮转速输出力矩,还可以通过改变其转动惯量实现大范围的力矩输出。文中建立了带有变惯量反作用飞轮的星体姿态动力学方程,设计了姿态控制律和飞轮的操纵律。仿真结果表明,与一般反作用飞轮相比,当小卫星大角度机动时变惯量飞轮的转速更不容易饱和,且力矩的输出范围变宽,可以同时满足小卫星高精度稳定和快速大角度姿态机动的双重要求。     

一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术研究

在有较复杂外干扰力矩条件下,对一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术进行了研究。建立了零动量卫星的三轴姿态动力学模型,分析了环境外干扰力矩对滚动-俯仰-偏航姿态的影响,设计了补偿方案:用低通滤波器的角动量正反馈对外力矩进行补偿,导出了控制器补偿项的数学表达式;引入磁卸载+磁前馈分别消除飞轮饱和及削弱磁力矩干扰的影响,给出了滚动-偏航、俯仰通道的控制模型和数学表达式。仿真结果表明:采用该方法三轴姿态角控制精度高,飞轮转速被限制在一定范围内,有效削弱外干扰力矩对星体姿态控制的影响,提高了卫星的姿态控制精度。     

整星零动量小卫星偏置飞行姿态解耦控制

研究了采用反作用飞轮为执行机构的整星零动量卫星绕Ｘ轴大角度偏置飞行模式的姿态解耦控制问题。首先给出卫星姿态运动学和动力学模型，然后在控制作用中引入非线性项对姿态动力学模型线性化，进一步对线性模型进行状态反馈解耦和极点配置。最后，给出了数学仿真算例和仿真结果。     

跟踪与数据中继卫星柔性动力学建模

研究了大型跟踪与数据中继卫星动力学建模问题。首先结合模态综合和混合坐标方法介绍了中继卫星柔性动力学一般模型建立过程;根据工程需要重点对所建立的一般动力学模型利用模态综合进行降阶处理,给出了工程实用的低阶动力学模型和各耦合系数的计算表达式;最后通过一个工程实例对模型进行了验证。     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

含有不平衡飞轮的卫星精确动力学模型研究

针对含不平衡飞轮的卫星动力学模型,给出了不平衡飞轮的转动惯量矩阵。用多刚体建模方法,建立了综合的完整姿态动力学分析模型,提出了质心位置的计算方法。通过飞轮系统的完整精确模型,将飞轮扰动对三轴姿态稳定卫星的影响反映至滚转一俯仰一偏航三轴姿态。Matlab／Simulink环境中仿真验证了该系统角动量为常值。分析了不平衡飞轮对卫星姿态的影响,并解释了模型的应用。研究表明飞轮扰动影响不可忽略,精确的动力学模型对未来航天器的应用有重要意义。     

单滑块与飞轮协同姿态控制卫星运动分析

为了明确单滑块变质心卫星的控制机理,建立了包含单滑块与3个飞轮在内的7自由度卫星姿态动力学模型。在此基础上,分析讨论了其运动特性以及动力学系统的特点,采用最小二乘方法反向求解出滑块运动对卫星姿态的影响,为控制器根据姿态机动指令计算滑块需求运动距离,提供了一种工程上可行的方法。最后对比变质心机构与飞轮的协同控制与单独采用飞轮控制两种控制方案的效果,突出了变质心机构与飞轮协同控制的优越性。仿真结果表明:单滑块变质心卫星在卫星姿态机动过程中能快速响应。本文为单滑块变质心卫星的工程实践,提供了一些理论参考。     

小型化自动识别系统天线在卫星上的应用研究

提出一种M构型的新型小型化AIS天线,适用于布局复杂、结构紧凑的各种小卫星AIS系统。天线基于倒F天线设计,具有结构简单、尺寸小、重量轻等优点,便于星体安装和在轨应用。仿真分析和实测结果表明,天线在星体环境下的增益覆盖性能满足卫星覆盖要求。目前,天线已在多颗小卫星上得到成功应用。     

高精度飞轮控制系统方案分析研究

卫星姿态控制是卫星控制领域里的最重要的一个方面 ,用于保证卫星的正常工作。一般的卫星姿态控制都采用飞轮控制方案 ,所采用的飞轮有磁悬浮飞轮和普通飞轮两种。虽然磁悬浮飞轮能克服飞轮自身摩擦力对卫星姿态的影响 ,但是磁悬浮飞轮在制造、工艺等方面要求高 ,而且成本昂贵。本文讨论了采用直流无刷电机控制普通飞轮的方案中关于转速和电流这两个关键参数的高精度控制问题 ,并给出了实际可行的解决方法。这些方法已在某型卫星上得到了部分应用。     

柔性多体卫星自抗扰控制系统的研究

设计了一种新型的姿态控制器一姿态自抗扰控制器。采用简化了的刚体动力学模型，即把柔性太阳帆板与柔性天线等的振动都看作外干扰，对象的不确定性、未建模动态与外干扰的总量都由自抗扰控制器估计出，再用该估计总量实现动态反馈补偿。该姿态控制器，只需控制输入转换矩阵的估计值，无需精确的卫星动力学模型。改变星体转动惯量或设置干扰力矩情况下的数学仿真表明，所设计的自抗扰控制器具有较小的稳态误差、较快的动态响应及对干扰有较强的抑制能力。     

相对位置和相对姿态耦合的编队控制

考虑卫星编队中从主星的相对位置与相对姿态耦合,对采用输出反馈跟踪控制进行了研究.根据双星编队的控制结构,以及在从星体坐标系中建立的统一形式的相对位置与相对姿态耦舍的误差模型,在无速度与无角速度测量条件下,设计了改进的速度(角速度)滤波器,并给出了输出反馈跟踪控制器模型.仿真结果表明:该法可实现相对位置与相对姿态耦合时卫星编队的输出反馈跟踪控制.     

卫星多轴指向姿态控制全物理仿真实验研究

具有大型天线和大面积太阳帆板的多体卫星多轴指向控制技术是航天器控制的关键技术之一,针对这一问题,设计了“前馈+变结构”方案控制卫星本体,天线指向控制根据任务要求结合本体姿态产生,形成本体与天线多轴指向控制方案。基于常用的“飞轮—喷气”执行机构模式,考虑了控制精度和喷气消耗量问题。利用带有大型挠性板与程控天线系统的单轴气浮台物理仿真实验系统,成功地进行了卫星多轴指向控制物理仿真实验,本体姿态控制精度达到0.020,天线指向精度达到0.50。该研究对多轴指向卫星控制系统设计具有实际参考价值。     

星载大型反射面天线主动振动抑制建模分析方法

为研究抑制星载大型反射面天线的在轨振动,文章给出一种基于压电材料的天线臂主动振动抑制建模分析方法。该方法基于整星刚柔耦合动力学模型,通过将压电材料的应力等价为内力矩,应变等价为位移差分,获得卫星动力学、振动抑制与姿态控制的解析式耦合计算模型,进而预测振动抑制后的天线振动传递特性和响应。以某带大型反射面天线的卫星为例,分别从压电材料布局和计算边界条件角度给出主动振动抑制的时域、频域分析结果,并进行对比。分析结果表明:文章所提出的方法能够实现压电材料在天线臂上的布局优化以及获知天线臂主动振动抑制效果。