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。     

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。     

倾斜轨道对地指向小卫星对日跟踪姿态控制算法

固定安装太阳电池阵形式的对地指向小卫星,运行在倾斜轨道时太阳电池阵光照条件恶劣,限制了小卫星的应用。文章研究了对地指向小卫星姿态跟踪控制,提出了控制算法。首先,对太阳电池阵法线和太阳方向矢量进行分析,得到最优的偏航角、偏航角速度和偏航角加速度。然后,基于卫星姿态动力学给出了3个互相垂直安装的反作用飞轮控制律,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的渐近稳定性。以某小卫星为例,对控制算法进行验证,结果表明:文章提出的控制算法具有很好的实用性,控制律有效,能达到太阳电池阵跟踪太阳的效果。     

欠驱动挠性航天器的单轴指向控制

研究欠驱动挠性航天器的单轴指向控制问题,该问题理论上涉及高维控制系统的非线性控制
,工程上对于航天器配置优化和提高控制系统可靠性非常重要。为此,提出了两段控制方法
：第一段是角速度镇定,第二段是在初始角速度为小量时的单轴指向控制。在此基础上,将
两段控制结合提出了完整的单轴指向控制算法,该算法能够有效保证闭环控制系统的大范围
渐近稳定性。理论分析和仿真结果验证了所提出控制方法的有效性。     

K频段测距系统星间高精度指向控制算法

为了避免多路径噪声对低低星间跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统测距精度的影响,基于SST-LL重力测量卫星的超静卫星平台,提出了一种磁控制与喷气控制相结合的KBR系统星间高精度指向控制算法。首先,利用喷气执行机构使卫星快速机动到目标姿态角;然后,利用磁力矩器和喷气执行机构对卫星进行联合稳定控制,在满足省电和节省喷气量的条件下,实现长周期、高精度的天线相对指向控制。利用"重力场反演与天气试验"(GRACE)卫星参数进行仿真验证,结果表明:在正常轨道运行模式下,该算法能实现俯仰和偏航方向优于1mrad的控制精度,可为KBR系统在轨高精度测距提供保证。     

敏捷卫星宽幅动态成像姿态调整技术研究

针对敏捷卫星在三轴姿态机动过程中"动中拍"的成像任务,分析了推扫条带与星下点轨迹成90°夹角的宽幅动态成像模式,提出了这种成像模式下的姿态调整技术。数值仿真分析了该成像模式对姿态控制精度的要求,并通过卫星工具包(STK)仿真验证了数学模型的正确性。数值仿真结果表明:在10Hz的控制周期下,姿态角的控制精度需求是0.01°,角加速度的控制精度为0.003 0～0.000 1(°)/s2。针对上述指标要求,提出采用小角度内分段匀角速度进行控制的宽幅动态成像姿态调整方法。     

卫星编队飞行的探测目标指向动力学与控制方法研究

卫星编队飞行的相对轨道运动和姿态指向运动并不是彼此独立的,而是相互耦合的.利用几何学方法和编队卫星的相对位置与姿态指向的耦合关系推导了卫星编队飞行的姿态指向运动学和动力学方程.并运用指数趋近律滑模控制方法对系统进行耦合控制.仿真结果表明:耦合控制系统在不借助额外姿态测量信息的情况下可同时实现相对位置和姿态指向的精确控制.     

一种对地姿态重定向的机动轨迹规划及控制方法

针对载荷工作时需根据目标点指向进行姿态动态调整的对地遥感卫星快速重定向问题进行了研究。鉴于综合考虑轨道运动、观测目标重定向及对目标瞄准时姿态动态调整的复杂性,首先将观测目标重定向运动解耦出来,并利用轨道系下绕欧拉轴旋转的策略进行规划,从而便于由运动学精确推导姿态机动角加速度在内的期望跟踪轨迹参量解析式;基于期望轨迹参量,设计了一种基于前馈补偿与跟踪误差线性反馈控制相结合的姿态跟踪控制器,在动力学参数确知时可实现运动学及动力学的精确补偿;进一步考虑系统离散实现及零阶保持带来的补偿误差,基于冲量等效原理对补偿算法的角加速度进行修正;最后,利用闭环与开环控制仿真对所提出方法的有效性进行了验证。     

基于主被动一体隔振指向平台的柔性航天器高精高稳指向方法

面向天文卫星、遥感卫星越来越高的指向精度和稳定度需求,解决指向控制和振动抑制相互制约的矛盾,文章提出了采用同时具备振动隔离和指向调节能力的Stewart平台以实现柔性航天器高精高稳指向的方法。建立了整星柔性动力学模型,设计了主被动一体隔振指向控制器,并基于该模型对传递率进行仿真,验证了理论分析结果。通过数字仿真验证了主被动一体隔振指向平台的振动抑制性能和指向控制性能,结果表明:能同时满足振动隔离和指向调节需求,可为具有高精度指向航天器的发展提供参考。     

微小卫星高精度三轴稳定控制算法研究

某型号微小卫星的有效载荷为三线阵CCD相机 ,因此对于姿态控制系统有相当高的要求 :对地定向三轴稳定指向精度优于 0 .3°,稳定度优于 0 .0 0 1(°) /s。针对该要求进行了控制系统设计 ,并在单轴气浮转台的基础上 ,根据国内现有硬件情况进行了半物理仿真验证。结果表明 :所设计的控制器原理简单、易于实现且具有较好的鲁棒性 ,满足总体提出的设计要求。同时证明 ,国内现有的光纤陀螺和反作用飞轮等硬件的性能指标均可满足某型号微小卫星姿态控制系统的要求。     

飞轮姿控小卫星模糊控制方法研究

对三轴稳定飞轮姿控小卫星的模糊控制方法进行了研究。不考虑解耦运算,基于模糊控制,以姿态角偏差及偏差变化率为输入,飞轮转动角加速度为输出,在每个通道分别加入模糊控制器,实现了对小卫星滚转、俯仰和偏航通道耦合系统的有效控制。仿真结果表明:该法对干扰抑制明显、对结构参数变化不敏感,响应过程有良好的快速性和较高的稳态精度(可达1×10-4rad),可避免传统方法中对动力学方程的直接解耦操作,应用时可将模糊控制规则转化为控制表储存在星载计算机,简单高效。     

考虑太阳帆板指向的编队卫星相对姿态跟踪控制

编队飞行一种应用是受控卫星对目标卫星跟飞或者绕飞,有效载荷指向目标卫星以执行各种任务。研究了太阳帆板固定的卫星姿态控制,在保证有效载荷始终指向目标卫星的前提下,使得太阳帆板尽可能朝向太阳。给出了太阳帆板法线与太阳光夹角最小的几何条件。采用四元数状态反馈的控制律实现了姿态跟踪,仿真结果检验了控制律有效性及太阳帆板朝向太阳的效果。     

地磁环境下卫星磁试验中的外干扰磁场控制补偿方法

针对地磁环境下外干扰磁场影响卫星磁试验精度问题,综合分析外干扰源场和卫星近场特性;通过合理布局(包括位置和方式)外干扰磁场监测传感器和卫星磁场采集传感器,增设动态磁场采集的A/D取样扫描频率循环控制、信号统计、滤波、数据拟合等信号处理功能,解决了监测传感器和采集传感器所得到的干扰信号的同步性、等效性、一致性,以及采集传感器信号中卫星真实磁场与干扰磁场之间的不相干性;实现了卫星磁试验的外干扰磁场有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正。通过24 h实时监测,外干扰磁场波动控制在0.5~1.0 n T范围内,获得地磁环境下卫星24 h"准零磁"环境磁试验条件,满足卫星磁试验对磁环境的技术要求。     

基于MME/KF的电推进器推力在轨标定算法

为了确保小推力量级电推进器在轨工作的有效性,提出了一种基于MME/KF（Minimum Model Error/Kalman Filter）的电推进器推力在轨标定算法。该算法对推力标定过程为:首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩作用于卫星上,同时姿态控制器发送指令给电推进器来保持卫星的稳定;然后将陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,并利用KF算法实现电推进器在轨标定;最后进行数学仿真。结果表明该算法在常规推力下可以提高在轨标定精度,并且可以实现小推力条件下的在轨标定。     

基于切平面内隔离的静止轨道共位卫星轨道保持策略

对切平面内倾角、偏心率隔离的静止轨道共位卫星保持策略进行了研究,给出了进行周期性轨道保持同时调整卫星轨道参数以满足下一周期的隔离运行的最佳方法,其中南北向采用单一的法向控制,东西向采用偏心率矢量、漂移率和平经度调整.研究表明:若能将共位卫星的半长轴差控制在一定范围内,可用该法以较大隔离距离实现多星共位运行,且卫星间无遮挡,但对轨道测定和控制精度要求严格.     

基于轨道动态模型的卫星天线指向功能测试方法

针对卫星天线指向算法工程实现准确度测试中存在的数据时间偏差处理问题,提出一种基于轨道动态模型的卫星天线指向功能测试方法。通过对时间偏差模型的分析,实现对由卫星发出的带有时标的指向角度遥测信息和没有时标的指向角度控制信号相对于卫星指向计算理论角度的误差测试;通过时间偏差消除算法成功将无时标数据的误差测试结果与有时标数据误差测试结果保持一致。在对同一轨道条件测试时,两类数据测试结果均在0.001°之内,可实现对卫星天线指向算法工程实现准确度的可靠测试。     

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。     

卫星结构振动试验中的力控技术

介绍了卫星结构振动试验中力控技术的原理、特点，以及国外力控技术的研究和应用。通过与传统单轴加速度响应控制方法的对比，阐述了力和加速度双控技术对防止振动试验中过实验和欠实验的作用。分析表明该技术对实现卫星结构合理设计具有重要意义。最后提出了发展我国力控技术的建议。     

船载卫星遥感数据接收天线跟踪精确度改进方法

针对船载卫星遥感数据接收天线的动态跟踪航行特点,提出一种提高船载卫星遥感数据接收天线跟踪精确度的方法。通过天线伺服控制设计和计算机程序,克服船姿扰动对天线跟踪的影响,实现快速捕获目标卫星并进行精确稳定跟踪,从而解决恶劣海况下,船行过程中对X频段低轨卫星全空域、无盲区跟踪和可视区域内的高精度指向跟踪问题。该方法已在雪龙号船载卫星遥感接收处理系统建设中得到应用,可为后续舰船上建设遥感卫星接收系统提供借鉴。     

基于MME/EKF算法的卫星质心在轨标定

提出了一种基于MME/EKF的卫星质心在轨标定算法。首先以磁力矩器为执行元件给卫星施加一个明显大于干扰力矩的周期性力矩,将静电加速度计的量测信息分解为线性和周期性加速度,并将星敏感器标定后的陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,然后利用EKF算法求解卫星质心的位置。最后进行了数学仿真验证,仿真结果表明该算法不需要卫星的控制输入以及动力学特性信息,便能实现卫星质心较为精确的标定。