Validation of attitude/deformation sensing techniques for space flexible manipulators

This paper proposes an approach that makes use of two different techniques to sense and identify both the rigid attitude motion and the flexible dynamics of a manipulator. With the first technique, an accurate attitude motion determination, based on the use of a global navigation satellite systems (GNSS) signals, is performed. For this purpose, some antennas are placed on the manipulator in order to obtain the observable phase of the GNSS signal. The second technique, based on the use of accelerometer sensors, is used in order to identify the dynamic signature during the motion of the flexible link. Specifically, the modal parameters are estimated using data recorded from accelerometers, conveniently placed on the structure, by means of an output-only based approach. The developed algorithms used for both the attitude estimation and the output-only modal analysis are validated by experimental activities carried out on an in-house testbed representing a two flexible arm manipulator.     

绳网拖曳带帆板失效卫星的波动控制

针对带有柔性太阳帆板的失效卫星,提出了一种基于波动控制理论的控制方法,同时实现了绳网拖曳过程中稳定碎片姿态与抑制帆板振动两个目标。首先,提出一种新的绳网简化结构,用Kane方法建立了动力学模型,使其能够在保证运算效率的同时具有更高的精度。然后,针对系统特性设计了波动控制策略,仅需要输入系绳张力的大小和方向,便能通过拖船位置的改变来消除失效卫星的自旋和帆板振动。最后,通过数值仿真验证了控制律的有效性。仿真结果表明,在控制律作用下的拖曳过程中,失效卫星的姿态能够快速稳定,同时帆板的振动也得到了良好的抑制。     

支持多主通信的星载CAN总线应用协议设计

为提升星上设备间信息交互灵活性,文章对现有小卫星星上CAN总线应用层通信协议进行了改进,新的应用层协议通过合理的地址域设计、地址编排、屏蔽策略设计,使得该协议可以灵活支持总线设备多主通信,同时为了确保卫星系统按照一定的节拍有序运行,建议对总线采取周期调度下的多主通信模式。文章通过构建多主通信场景对该协议进行验证,结果表明该协议可以有效支持总线节点多主通信、组播、广播等,提升了总线通信的灵活性和通信效率。     

一种改进的航天器时变模态参数递推辨识方法

针对基于预测器的递推子空间辨识(RPBSID)方法在估计系统的状态变量时计算量较大的问题,提出一种改进的RPBSID方法并应用于航天器的时变模态参数辨识。与原算法相比,改进后的方法在求解状态量时不需要逐个时刻构建相应的Hankel矩阵,而是利用仿射投影算法(APA)实现状态量的递推估计,从而减少了辨识过程中的数据量。在此基础上,利用该状态变量递推得到时变系统的状态空间模型和模态参数。在数值仿真中,建立带有大型挠性附件的卫星动力学模型,分别考虑系统模态参数线性变化、突变和周期改变的情况,利用改进的RPBSID方法对结构的时变频率和阻尼比等参数进行了辨识。理论分析和数值仿真的结果表明这种改进的方法不仅能够有效地辨识系统的时变模态参数,而且与原方法相比具有更高的计算效率。     

某卫星挠性附件姿态动力学研究

根据导出的某有大型太阳帆板的挠性卫星数学模型,分析了模型中挠性振动对质心和姿态运动的影响,给出了卫星系统的动力学方程,并对帆板展开、卫星稳态运行的模型作工程化处理。分析和仿真结果表明：该方法能降低模型的复杂度,满足大型卫星的姿态指向精度和稳定度要求。     

一种直接入轨卫星变轨阶段的供电方案

相比传统的卫星自身变轨方式,直接入轨方式下卫星的主动段时间将延长到4～5h。为解决卫星直接入轨过程中由于主动段时间大大加长,导致卫星电能需求的增加,以及电源系统配置不必要的质量增加的问题,文章提出了一种在发射和变轨阶段通过运载火箭上面级向卫星供电的方案,即在上面级上增加了一套独立的一次性电源系统。该系统与卫星自身电源系统相结合,在发射和变轨期间优先使用,卫星自身电源根据负载用电情况自主介入,能很好地解决卫星直接入轨方式下主动段的电能需求问题。     

A series of small scientific satellite with flexible standard bus

Japan Aerospace Exploration Agency has a plan to develop the small satellite standard bus for various scientific missions and disaster monitoring missions. The satellite bus is a class of 250–400 kg mass with three-axis control capability of 0.02 accuracy. The science missions include X-ray astronomy missions, planetary telescope missions, and magnetosphere atmosphere missions. In order to adapt the wide range of mission requirements, the satellite bus has to be provided with flexibility. The concepts of modularization, reusability, and product line are applied to the standard bus system. This paper describes the characteristics of the small satellite standard bus which will be firstly launched in 2011.     

结构局部刚度变化对小卫星动特性影响

首先针对模块式小卫星动特性进行灵敏度理论分析，分析目标是寻找提高结构动特性的局部位置和参数。然后基于有限元法分析改变局部刚度对结构动特性的影响。小卫星结构动特性分析计算的主要问题是建立计算成本可控的有限元模型，本文详细讨论了小卫星有限元模型建模方法和简化途径，并通过7个算例考察改变模块底板局部刚度、改变适配器支撑刚度、模块问设置弹簧模拟阻尼器等对小卫星结构动特性的影响。灵敏度分析和计算表明，影响动特性的主要因素是模块盒底板刚度和星箭适配器的支撑刚度；增加模块局部刚度以及适配器支撑刚度可以屏蔽星体摆动和包带联结部位的某些频率，同时可以减缓部分中间模块的振幅；在部分模块间设置弹簧可以模拟阻尼器或减振器的效果。另一方面，降低适配器刚度可以增加隔振作用。因而优化模块刚度分布和支撑刚度分布是改进动力学性能的有效途径。本文分析为模块式小卫星动力学修改以及多功能结构设计和主动振动设计提供依据。     

空间挠性结构的Stewart平台主动基座振动控制

研究基于Stewart平台主动基座的挠性结构振动控制。首先,建立含Stewart平台主动基座的柔性梁刚柔耦合动力学模型;随后,在模态空间上分别针对挠性结构的一阶和二阶模态设计由线性扩张状态观测器(LESO)和PD控制器组成的自抗扰控制器(ADRC);最后,基于独立模态控制(IMSC)中的模态滤波器从物理坐标中提取模态坐标,建立振动主动控制实验系统,基于模态空间的自抗扰控制方法完成挠性结构的前两阶模态振动主动控制实验。研究结果表明,利用Stewart平台作为主动基座,采用自抗扰控制方法实现挠性结构的振动抑制是一种高效的振动主动控制方法,在空间振动主动控制领域具有广阔的应用前景。     

太阳电池翼在轨模态光学测量优化的计算机辅助方法

非接触光学测量方法,可作为空间站太阳电池翼等大型航天器柔性部件在轨模态分析的一种潜在手段。为合理布置相机的拍摄工位及视角,有效捕捉靶标运动的位移及方向,提出了利用轨控或姿控激励下柔性附件瞬态响应的结构动力学仿真结果,结合计算机图形学仿真技术,预示虚拟靶标运动过程成像及其位移重构效果,从而对测量有效性做出判断的实验方案评价方法,并通过仿真实验对其可行性进行了验证。该方法可发展为航天器在轨模态测量的计算机辅助优化工具,能充分利用结构动力学仿真成果,弥补大型柔性部件地面实验的不足。     

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。     

大型挠性充液卫星自适应PID智能控制技术研究

介绍以新一代静止轨道三轴稳定卫星平台为研究对象的大型挠性充液卫星的自适应PID智能控制方案。自适应PID智能控制继承了PID控制器的优点,在PID控制器的基础上增添了模态参数智能自主在轨辨识、自适应滤波器参数自主确定,从而使自适应PID智能控制的鲁棒性、可靠性、安全性显著增强,即使帆板挠性或液体晃动等模态参数超出预定指标范围,也可以自主地智能地消除可能出现的姿态振荡。     

三轴气浮台挠性航天器动力学模拟方法研究

本文研究利用气浮台上的动量轮执行机构,模拟卫星上挠性附件振动产生的干扰力矩的卫星物理仿真实验方法,以克服三轴气浮台不能直接安装挠性附件进行仿真的局限性.本实验方法通过设计一个跟踪控制器,令气浮台的姿态角速度跟踪挠性卫星参考动力学,并由动量轮产生控制力矩,该力矩即是实验模拟的挠性振动干扰力矩.理论和仿真研究表明:(1)本文提出的挠性干扰力矩模拟方法可以较好地模拟低阶挠性振动干扰力矩;(2)理论上当控制器的增益参数越大,系统能够模拟的干扰力矩频率就越大,但是由于测量噪声的影响,反馈增益不能选得过大;(3)本方法模拟的干扰力矩与真实干扰力矩存在一定的相位延迟,这是由于控制器和执行机构的固有延迟造成的.通过引入超前-滞后校正网络可以有效减小延迟的影响.     

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。     

簇状卫星姿态控制方程的通用建模方法

当前卫星通常都由一个中心刚体和其他挠性附件构成，每个挠性附件都与中心刚体直接相连，组成了一个簇状的刚柔耦合的多体系统。随着挠性附件的数目的不同，卫星系统的拓扑构型也将有所不同。即使对于同一颗卫星而言，在展开过程的不同阶段，卫星系统具有不同的拓扑构型。本文利用柔性多体系统动力学的单向递推组集方法，提出了一套通用的解决方案，以推导具有不同拓扑构型的簇状卫星的姿态控制方程，得出了姿态控制方程的系数矩阵。     

中心刚体-柔性梁系统的旋转运动控制

中心刚体-柔性梁系统是一个典型的刚柔耦合动力学系统,对其动力学与控制的研究一直是国内外的研究热点问题之一。采用一次近似简化模型对中心刚体-柔性梁系统的旋转运动控制进行研究,其中控制律采用变结构控制方法进行设计。切换面的设计采用最优化方法而得出,控制律的设计采用指数趋近律方法。因为所设计的控制律是模态坐标的函数,而模态坐标不可能通过物理测量直接获得,因此给出一个从物理测量中提取模态坐标的滤波器方法。数值仿真结果显示,模态滤波器能够较好地提取出控制律所需的模态坐标;变结构控制能够使得系统达到所期望的运动状态,并可使柔性梁的残余振动得到抑制。     

基于拉索的航天器挠性部件在轨增频技术研究

航天器上的太阳电池阵等挠性部件基频较低、低频模态密集,可能会与器上活动部件产生耦合和共振,对航天器姿态及载荷工作等产生不良影响。针对此问题,文章提出用主动张紧拉索装置来调节挠性部件的频率。在调研国内外技术的基础上,分析了悬臂梁模型中支撑刚度对系统模态的影响,建立拉索增频的动力学模型并进行仿真;依据原理性试验仿真结果,设计了器上增频机构,并完成了相关地面试验验证和在轨飞行验证。本研究对于航天器挠性部件的增频和错频等技术措施的实施具有参考价值。     

带弹性附件的卫星的姿态动力学方程

本文采用虚功形式的d’A1embert原理建立了带弹性附件的卫星的姿态动力学方程。方程便于与有限元程序结合。对于非自旋卫星,可以给出线性化的方程。文中建议以各阶约束模态的角动量系数对弹性附件的惯矩的贡献作为降价的参考较为方便。文章给出了一个数字例。     

基于Jess的卫星状态诊断系统设计与实现

针对卫星在轨管理中实时故障检测与解决较弱的现状,应用专家系统工具Jess构建了实时卫星状态诊断系统。系统可以适应遥测组合模式的复杂约束关系和频繁变化,收集、整理领域知识,实时检测卫星的工作状态,发现并提示卫星状态变化,显示状态诊断过程和结果,提供解决异常问题的参考方案,积累故障处理的经验。文章给出了系统总体结构的设计及关键技术的实现,从而为Jess在航天测控领域其他方面的应用提供了一种思路和方法。系统已成功应用于卫星的在轨管理中。     

帆板及其支撑系统简化模型的动力学特性的试验和分析

本文以空间站的太阳帆板及其支撑系统作为对象,作了简化模型的试验和理论分析,以研究该系统在空间站因姿态调整。轨道机动及其他原因干扰下的动力学特性。结果表明,由于这种系统属于大型柔性空间系统,存在着惯性非线性耦合,当存在内部谐振关系时,随着干扰力辐值的增加,系统的动力学特性也将产生急剧的变化。这种变化呈现出非线性特征,相互耦合的振型同时被激发。这种振辐的剧增将给柔性结构的形状保持和振动控制带来困难。