卡尔曼滤波在自旋卫星章动控制中的应用

细长体结构卫星的自旋运动是不稳定的,章动有发散趋势,须进行实时的章动监视,且章动角的测量值包含有误差.通过引入一个离散控制过程的系统,介绍了卡尔曼滤波器的基本原理,建立了自旋卫星自旋运动简化的动力学模型,给出了运动方程和观测方程,详细地推导了适用于自旋卫星章动控制的卡尔曼滤波处理过程,利用该模型对某自旋卫星章动进行仿真计算,并对姿态章动联合控制和应急章动控制情况下的章动控制应用情况进行分析,得出结论：基于卡尔曼滤波的卫星章动角计算的方法正确、结果准确.     

地球静止轨道自旋卫星姿态确定及控制策略

本文从工程应用的角度详尽地介绍了地球静止轨道自旋卫星姿态原理及确定方法,以我国在轨运行的风云二号卫星为例,给出了大量工程实测数据,并给出姿态控制实施策略,它们已经成功地运用到我国在轨自旋同步卫星的管理。     

磁强计数据辨识卫星自旋状态

针对近地低轨三轴稳定卫星在轨管理后期,除磁强计外其他姿态敏感器都无效情况下的姿态异常问题,分析了三轴稳定卫星失去姿态基准后,星体自旋状态下三轴磁强计测量数据的特点,提出了使用磁强计测量数据的矢量信息,以找到能够获取卫星状态的方法,从而建立了磁强计测量矢量与卫星自旋轴的几何关系,给出了处于自旋状态下的卫星自旋轴确定方法。通过此种辨识方法,获得了某气象卫星姿态异常翻转状态下的自旋矢量方向和自旋角速度,从而证明了该辨识方法快速、有效,可以作为姿态异常卫星自旋状态的辨识手段,为恢复卫星姿态提供了重要信息,具有一定的工程应用价值。     

重力梯度力矩引起的自旋稳定卫星姿态摄动

建立了自旋稳定卫星姿态摄动的数值分析方法及模型,对重力梯度力矩作用下自旋卫星自旋轴相对于地心惯性系进动和章动以及赤经和赤纬的变化进行了仿真分析。对重力梯度力矩引起的自旋稳定卫星姿态摄动的演化规律进行了研究。指出在重力梯度力矩的作用下：自旋轴指向绕轨道面法线进动;章动角速度远小于进动角速度;轨道角速度越大,星体相对于地心惯性系的进动角速度和章动角速度越大,赤经和赤纬的变化率越大;自旋角速度越大,星体相对于地心惯性系的进动角速度和章动角速度越小,赤经和赤纬的变化率越小。     

重力测量卫星三轴稳定模型预测控制方法

基于卫星重力测量姿态控制任务需求,提出了一种基于模型预测控制的三轴姿态稳定控制方法.给出了将控制力矩和扰动力矩分别作为控制变量和测量扰动的线性化方程,并将推力大小及其变化量作为约束条件.基于离散化状态方程,提出了满足多种约束条件的预测控制方法.通过数学仿真表明了模型预测方法对内编队卫星三轴稳定控制的有效性和可行性.     

自旋稳定卫星姿态参数递推容错LS估计

准确计算自旋稳定卫星姿态参数是正确实施姿态控制的前提。本文基于最小二乘（LS）理论，建立了在线计算卫星姿态参数的一组具有容错功能的递推LS算法，简要论证了该算法具备良好的统计最优性质。     

电动力绳系周期解求解及稳定性控制

电动力绳系姿态摆动动力学方程具有非线性特点,且姿态摆动状态直接影响着空间任务能否正常进行。首先,基于哑铃模型及偶极子地磁场模型假设,推导了在倾斜圆轨道上运行的电动力绳系姿态动力学方程。其次,给出了利用摄动法和不动点迭代法相互配合的数值方法求解该非线性方程周期解的过程及解的稳定性判断准则,并针对不稳定周期解提出了相应的稳定性控制策略。最后,通过数值仿真分析,得到了姿态摆动运动的周期解图像,验证了周期解求解算法的有效性,并对不稳定周期解实现了稳定性控制。     

辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控制策略

提出了圆轨道辐射开环绳系卫星编队的展开控制策略。首先采用拉格朗日方程建立了辐射开环绳系卫星编队的展开动力学模型,分析了主星姿态与绳长在展开过程的动力学耦合关系;随后以建立的动力学模型为基础,分别研究了编队在重力梯度力补偿和无补偿两种情况下的自旋展开控制策略,通过规划绳系释放速度、主星自旋角速度等变量,实现了绳系编队的有效展开;最后搭建了编队自旋展开的动力学模型,通过数值仿真对所提出的展开策略进行验证,仿真结果表明：在重力梯度力矩补偿和无补偿的情况下,所提出的展开控制策略能够保证编队稳定展开。     

基于地面任务-空间姿态映射的敏捷卫星任务规划

面向观测时间窗口相互重叠的多点目标观测任务需求,对敏捷卫星单星单轨任务规划问题进行研究。针对传统方法在卫星机动能力受限和成像任务冗余两种情况下求解效率低的缺陷,引入任务-姿态协同规划思想。首先,建立地面任务和空间姿态映射关系,并考虑相邻任务间姿态机动时间的最优性使得卫星在观测相邻任务时无多余等待时间,以此来设计任务-姿态协同规划数学模型。其次,根据任务-姿态协同规划数学模型,设计自适应伪谱遗传算法（APGA）,用以求解满足调整时间最优性的敏捷卫星任务规划问题。最后,通过仿真实验,验证了模型和算法能够有效地解决传统算法求解敏捷卫星任务规划问题时存在的求解效率低的缺陷。     

自旋卫星测姿脉冲丢失原因分析

在对某自旋卫星实施工程测控的过程中，出现了太一、太二、南中、北中、南出、北出脉冲丢失的情况，对卫星姿态测定和各类控制造成了一些影响，其主要原因是各类脉冲重叠时，由于下传优先级不同，使优先级低的脉冲丢失；同时，数据打包异常也可能造成优先级高的脉冲丢失。本文以该自旋卫星为研究对象，对脉冲重叠的条件和丢失的原因进行了分析，进而提出一种解决方法，并在实践中得到了应用。     

一种偏置动量轮在轨维护的变带宽控制方法

针对长寿命运行卫星在轨维护中出现的备份偏置动量轮离散性差异较大,导致俯仰角收敛缓慢的问题,在姿态现象分析的基础上,根据卫星姿态动力学原理,建立偏置动量轮工作模式下的俯仰姿态的PID(Proportion Integration Differentiation,比例积分微分)控制模型,并进行系统开环与闭环传递函数公式推导。然后在伯德图(Bode Diagram)基础上,重点分析相位裕量的敏感参数,给出俯仰姿态控制回路的带宽调整方法,实现变带宽控制。卫星偏置动量轮在轨切换维护的结果表明,通过及时调整PID参数,减小回路带宽,可以有效改善相位裕量,保持卫星控制性能,实现俯仰姿态快速收敛,且俯仰角控制精度优于0.03°,取得较好的应用效果。     

飞轮被动减振卫星动力学建模及稳定性研究

为提高卫星的指向精度和稳定度,通常在飞轮系统中设计了被动减振器。而对于有敏捷机动要求的卫星,被动减振器的低刚度设计可能会破坏姿态控制系统的动态性能和稳定性。因此,针对飞轮减振情况,建立了卫星刚柔姿态动力学方程,用来准确分析卫星敏捷机动时的动态性能、稳定性问题以及飞轮扰动对卫星稳定度的影响。仿真结果表明,不合适的隔振器刚度设计将会影响指向的动态性能和稳定性,甚至诱发姿控系统失稳。     

四元数在伴随卫星姿态控制中的应用

针对传统的欧拉角方法不适用于航天器大幅度姿态机动运动的数值仿真。研究了用四元 空间站伴随卫星的姿态控制问题。介绍了空间站伴随卫星的概念及任务;根据航天器动力学方程,利用李雅普诺夫直接法推导出用四元数表示的空间站伴随卫星姿态控制律,并对该控制律进行了仿真计算,仿真结果表明,所推导的控制律能对空间站伴随卫星进行准确、快速的姿态控制。     

基于等倾角进动的自旋卫星姿态控制方法

姿态控制是自旋稳定卫星控制的基本任务之一,其控制方法有多种,本文主要针对等倾角法进行研究。首先介绍等倾角法姿态控制的基本原理,然后详细地给出姿态控制前需确定的理论执行角、实际执行次数和时延等控制量的具体计算方法,最后进行了姿态机动仿真控制。仿真结果表明,控制量的计算结果准确,控制过程的预测结果与实际控制过程一致。此方法已在多颗自旋卫星发射中得到应用和验证。     

三轴稳定卫星无陀螺姿态确定算法研究

针对三轴稳定卫星进行了正常飞行模式下无陀螺姿态确定算法研究，采用磁强计、地球敏感器和太阳敏感器组合获得姿态数据，利用四元数法和高斯－马尔可夫过程建立了姿态确定估计器算法模型。通过数学仿真证明，此姿态确定算法能够对星体姿态进行较精确的估计或校正，满足卫星控制精度要求。     

利用受限张力的拖曳变轨欠驱动姿态稳定策略

在空间绳系拖曳变轨中,目标和平台形成一种哑铃型绳系系统,且仅依靠有限的平台推力和系绳张力来抑制系绳的摆动。针对此类输入受限的欠驱动控制问题,提出了一种利用受限张力的姿态稳定策略。首先,推导了组合体姿态动力学模型。然后通过数值求解姿态平衡方程得出理论面内姿态指令,再采用高斯伪谱法对其优化获得实际指令。最后,基于分层滑模理论设计欠驱动张力控制律,并嵌入抗饱和模块以缓解张力饱和。仿真表明空间平台能在正向有限的张力控制下,平滑地收放系绳使面内角和绳长跟踪实际姿态指令。此外,所提策略对目标体摆动和传感器误差也具有良好的鲁棒性。     

北斗GEO卫星南北控制对半长轴影响分析

在北斗GEO（Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道）卫星南北控制期间,陀螺漂移、姿态控制、轨道平面变化等因素都会对卫星轨道半长轴产生影响,进而影响卫星星下点经度漂移,而在实际工程中难以提前准确预估南北控制对半长轴的影响。根据GEO卫星南北控制特点,分析了各因素对半长轴影响的原因,通过影响因素剥离的方法建立了各因素对半长轴影响的模型,利用在轨GEO卫星历次南北控制的实际数据,验证了模型的准确性并给出了各个因素的影响量级。结果表明,该模型可使得南北控制对半长轴影响的预测精度达到1 km以内,可用于北斗GEO卫星南北控制时半长轴补偿控制。     

刚体航天器姿态跟踪的时变滑模控制(英文)

To solve the problem of attitude tracking of a rigid spacecraft with an either known or measurable desired attitude trajectory, three types of time-varying sliding mode controls are introduced under consideration of control input constraints. The sliding surfaces of the three types initially pass arbitrary initial values of the system, and then shift or rotate to reach predetermined ones. This way, the system trajectories are always on the sliding surfaces, and the system work is guaranteed to have robustness against parameter uncertainty and external disturbances all the time. The controller parameters are optimized by means of genetic algorithm to minimize the index consisting of the weighted index of squared error （ISE） of the system and the weighted penalty term of violation of control input constraint. The stability is verified with Lyapunov method. Compared with the conventional sliding mode control, simulation results show the proposed algorithm having better robustness against inertia matrix uncertainty and external disturbance torques.