高分七号卫星控制分系统设计及在轨验证

针对高分七号(GF-7)卫星控制分系统高精度姿态确定、姿态控制和快速机动的需求,文章采用星敏感器相对基准标定,将甚高精度星敏感器与前后视相机进行一体化安装的布局方式,并采用了数传天线轨迹平滑和干扰力矩补偿算法控制天线,采用高刚度高稳定度太阳翼驱动机构(SADA)控制太阳翼,从而实现了卫星的高精度姿态确定和高稳定度姿态控制。经在轨验证,结果表明:姿态稳定度小于0.000 06(°)/s,优于姿态控制分系统的指标要求,可为遥感卫星姿态控制分系统设计提供参考。     

帆板驱动影响下的卫星姿态高精度高稳定度控制

受步进电机驱动作用,太阳帆板对日定向时卫星姿态受到影响。本文针对帆板驱动不平稳引起的同卫星姿态耦合干扰,提出了一种卫星姿态稳定和太阳帆板对日定向的复合控制方法。卫星姿态稳定采用自抗扰控制器,以估计补偿由帆板驱动和系统不确定性引起的干扰,并在此基础上,设计了步进电机自适应电流补偿驱动器,以克服帆板驱动机构摩擦力矩和谐波力矩影响。仿真结果表明,该方法能大大提高卫星姿态控制精度和稳定度,同时还改善了帆板对日定向的精度。
     

高分三号卫星飞行程序设计与在轨验证

高分三号(GF-3)装载有大型合成孔径雷达(SAR)天线及大型太阳翼,因此在其飞行程序设计中要重点考虑太阳翼和SAR天线的展开设计,以及它们的展开对卫星的扰动力矩和姿态的影响。通过分析显示:太阳翼展开对卫星姿态角和姿态角速度影响较大,为此对几种太阳翼展开未锁定的情况作出故障预案;通过分析SAR天线展开的动力学特性,以及SAR天线展开对卫星姿态的影响,进行相应设计,并为实现SAR天线展开可控,采取相应措施。GF-3卫星在轨验证结果表明:太阳翼和SAR天线展开结果良好,飞行程序设计合理有效。     

单太阳翼放气干扰力矩分析

针对静止轨道单太阳翼卫星在转移轨道段,太阳翼展开对日定向稳定控制过程中,太阳翼结构的初期放气干扰力矩对姿态影响的问题,利用卫星姿态动力学模型、姿态变化和推力器等参数,估计太阳翼放气产生的干扰力矩。通过理论仿真,验证了估计方法的正确性。以风云四号(FY-4)卫星为例,在轨实时估计结果表明:FY-4卫星太阳翼放气持续时间近11个小时,初期最大干扰力矩达37mN·m,比光压力矩约大2个量级,其对姿态影响不可忽视。文章的研究结果可为地面控制系统设计和在轨控制参数修改提供数据参考。     

高分多模卫星控制分系统设计及在轨验证

高分多模卫星(GFDM-1)对控制分系统姿态测量精度、姿态确定精度、卫星姿态控制能力、卫星机动能力、可靠性和地面验证方面都提出了更高的要求。文章针对高分多模卫星的特点,对控制分系统的体系结构、技术方案、可靠性设计、寿命试验等方面进行了概述,重点论述了卫星控制分系统基于二级总线的轻小型化体系结构、高精度高稳定度姿态控制技术、敏捷机动姿态轨迹规划技术、长寿命高可靠设计方案。根据卫星在轨运行数据,给出了控制分系统单机和系统性能指标在轨验证情况。     

高分三号卫星控制分系统设计与在轨验证

高分三号(GF-3)卫星是国内首颗设计寿命8年且转动惯量最大的低轨遥感卫星。与以往同类卫星相比,文章针对GF-3卫星的特点,对控制分系统的体系结构、技术方案、可靠性设计、寿命试验等方面进行了概述,重点论述了卫星控制分系统基于二级总线的轻小型化体系结构、高精度姿态全零多普勒导引技术、高精度高稳定度姿态控制技术、长寿命高可靠设计方案。根据卫星在轨运行数据,给出了控制分系统单机和系统性能指标在轨验证情况。     

太阳翼二维展开阶段SADA不同控制状态仿真分析

二维二次太阳翼侧板展开将造成太阳翼驱动机构(SADA)产生反向转动。针对太阳翼侧板展开运动引起的太阳翼驱动机构反转问题,采用机电耦合分析方法建立了太阳翼驱动机构加断电两种状态下阻力矩方程,进一步基于单向递推组集建模方法建立了太阳翼侧板展开期间整星动力学微分代数方程组,分析了太阳翼驱动机构加断电状态下太阳翼二维展开运动对太阳翼和卫星安全的影响。研究表明:侧板展开期间太阳翼驱动机构位置处将会产生大角速度转动,危害太阳翼驱动机构线路安全,建议结合太阳翼驱动机构电路设计,合理选择太阳翼驱动机构加断电策略,并采取措施降低侧板展开到位时刻角速度。     

卫星振动对HY-1卫星步进电机工作状态的影响

为分析海洋一号(HY-1)卫星水色扫描仪(水色仪)在轨发生的转动机构与卫星间耦合振动对步进电机工作状态的影响,根据建立的步进电机 角速度振动环境、步进电机 卫星 太阳帆板两种不同模式的电机运动状态模型,在不同设计参数条件下进行了仿真.结果表明:步进电机会因与卫星耦合振动造成工作状态变差,影响步进电机在轨工作状态的主要因素是卫星结构基频.     

大气环境监测卫星姿轨控分系统设计与在轨验证

大气环境监测卫星是我国首颗大气环境综合探测卫星。本文介绍了大气环境监测卫星的姿轨控分系统(AOCS)设计，包括体系结构、高精度姿态测量设计和稳态飞轮控制方案等，重点论述了姿态补偿方法和在轨验证情况。在轨数据表明，卫星的姿态测量精度、指向精度和姿态稳定度均满足指标要求。     

FY-2C星云图成像技术

介绍了风云二号(FY-2)气象卫星星上成像系统的主要功能和技术指标、云图的生成与传输,以及数传与转发技术.阐述了以太阳为基准采用星上预同步、地面同步/数据缓冲器(S/DB)进行精同步的同步成像技术的卫星成像系统设计原理.分析了卫星姿态动力学对自旋轴定向稳定的影响、扫描辐射计扫描机构步进对自旋周期稳定度的影响、卫星摇摆运动造成的云图几何畸变等产生成像误差的因素,以及采取的补偿修正方案.飞行试验结果表明,C星的云图网格配准精度优于1个可见像素,章动角和摇摆角也符合设计要求.     

空间高精度太阳跟踪器设计与实现

文章通过对"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱探测仪太阳跟踪器的设计,探讨了航天器高精度高稳定度跟踪指向技术,提出了一种挠性枢轴支撑、音圈电机驱动的高精度跟踪机构设计方法。挠性枢轴传动环节无接触摩擦,能够实现较高精度的轴系支撑;音圈电机具有结构简单、便于控制的优点,适用于短行程快响应的高精度闭环伺服控制系统,同时满足航天产品轻质、可靠的设计要求。跟踪控制采用基于位置反馈的闭环控制实现太阳粗跟踪,结合图像信息反馈的闭环控制实现精跟踪。通过仿真分析和试验测试,验证了机构跟踪精度可达0.065mrad、跟踪稳定度可达14.2μrad。该设计方法可为空间相似载荷的跟踪、扫描系统提供借鉴。     

斜装匀速对日驱动的卫星太阳电池阵入射角计算方法

某遥感卫星在轨长期工作时姿态处于斜飞状态,受总体构型布局约束,卫星双翼太阳电池阵相对星体倾斜安装;为降低对姿态稳定度的影响,太阳电池阵在轨采用匀速对日定向驱动的工作方式。针对上述特点,提出了一种太阳电池阵入射角的计算方法,考虑了卫星姿态斜飞、偏航导引、地球J_2项摄动、地影影响等因素,采用坐标变换方法,将太阳矢量和太阳电池阵法线矢量转换到同一坐标系下,计算两者方向余弦,进而得到太阳电池阵入射角。选取一年4个典型时间点给出了算例,计算结果与安装在卫星太阳翼上的模拟式太阳敏感器在轨实测结果进行了比较,验证了该计算方法的有效性和精度。     

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。     

复杂约束条件下的高分三号卫星系统设计

高分三号(GF-3)卫星是中国首颗民用平面相控阵SAR卫星,配置一套大型平面相控阵雷达天线,由于载荷尺寸大、质量大、功耗大、热耗大和电磁复杂特点,在卫星系统设计过程中采用了面向复杂约束条件下的系统综合设计方法。文章在梳理GF-3卫星载荷约束的基础上,提出了SAR卫星系统设计思路,详细介绍了围绕SAR载荷开展的面向机、电、热、磁等方面系统设计方案的选择与优化过程,并重点在SAR天线体制、结构形式、热控方案、机构要求,以及供配电状态和太阳翼方案等方面,给出了系统综合设计结果。     

高精度遥感卫星力矩补偿技术

基于建立的卫星姿态动力学模型,对高精度遥感卫星有效载荷工作时载荷运动产生的干扰力矩及其对卫星姿态的影响进行了研究。提出了反馈控制＋力矩补偿的方法,给出了力矩补偿的设计。仿真结果表明：在补偿时延小、补偿精度高条件下利用补偿轮进行力矩补偿,可提高卫星的姿态稳定度,使其满足卫星成像时的姿态控制指标要求。     

应用先验数据的高分三号卫星快速定位方法

针对高分三号(GF-3)卫星多种姿态下快速定位的需求,提出一种应用先验数据的卫星快速定位方法。该方法以GF-3卫星的定位数据和姿态数据为辅助信息,计算导航卫星的仰角,实时判断导航卫星对GF-3卫星导航接收机的可见性,从而减少捕获时间,实现快速定位。GF-3卫星的在轨验证结果表明:应用先验数据的卫星快速定位方法,定位时间为115s,短于其他低轨卫星的855s,从而验证了方法的正确性。文章提出的方法可应用于其他低轨遥感卫星。     

一种低轨遥感卫星自主轨道控制方法

针对低轨遥感卫星轨道控制操作繁琐、执行效率较低、影响载荷任务编排等缺点,提出一种无需地面站支持的自主轨道控制方法。利用在轨实时计算得到的轨道偏差作为触发条件,在偏差超出阈值时,卫星根据轨道外推结果、剩余燃料质量、发动机推力等参数自主计算轨控时间,并在不与载荷任务冲突的前提下,实施发动机点火,实现卫星轨道误差的在轨自主补偿。经高分七号卫星(GF-7)验证,能够有效降低卫星的地面运控成本,大幅提升卫星的自主管理、自主运行能力,可为我国后续低轨遥感卫星设计提供参考。     

卫星可变编码调制系统设计与验证

可变编码调制系统(VCM)具备改变编码方式、调制方式、速率的能力,十分适合低轨卫星使用。文章根据我国遥感卫星主要依靠地面站完成数据接收,其接收仰角大范围变化的特点,设计了卫星可变编码调制的系统方案,分析了工作流程、切换门限、物理层帧格式等参数,说明了可变编码调制器的设计方案和实现结果。目前,该方案已在高分七号卫星上完成了可变编码调制系统的在轨试验验证。在轨试验结果表明:传输速率相对于固定编码调制系统(CCM)提升了30%,显著提升了高分七号卫星的星地数传链路的传输能力。     

星载二维转台减振驱动控制设计

星载二维转台伺服机构是一种高精度指向调节机构,目前在轨运动应用频带在1Hz～300Hz范围,步进电机在低频旋转时存在振荡问题。为了解决此问题,文章基于正弦脉冲宽度调制(sine pulse width modulation, SPWM)提出了一种控制步进电机细分设计方法。系统以FPGA为控制核心,以LMD18200为电机驱动输出,构成了一个完整的运动控制平台,实现SPWM步进电机的细分控制。通过ModelSim软件仿真和实践表明,电机在低频时能运行平稳,有效降低了电机运行中的噪声和启动、停止时的振动,转台转动过程中抖动明显减小。     

一种应用输入成型的敏捷卫星快速姿态机动控制方法

敏捷卫星对姿态机动能力的快速性和稳定性提出了更高的要求,为此,提出一种应用输入成型的卫星姿态机动控制方法。通过引入比例-微分(PD)反馈加力矩前馈的复合控制,以及采用输入成型器对规划的原始姿态路径控制指令进行调制,使卫星控制后期稳定度得到提高,并能有效抑制挠性部件的振动。数学仿真验证的结果表明:对卫星姿态机动路径的规划和输入成型调制,可以在实现快速机动的同时,有效抑制挠性结构振动,缩短姿态稳定时间,为有效载荷提供更多的可工作时间和高精度、高稳定度的工作环境。