大磁矩磁力矩器驱动电路的一种设计方案

研究了一种1500～2000A·m^2的大磁矩磁力矩器的驱动电路设计方案．电路主要采用脉宽调制＋H桥驱动的形式,根据输入信号的不同,输出的激磁电流呈线性变化．针对大磁矩磁力矩器电气参数的特点,建立简化电气模型,确定电气参数值,并提出抑制剩磁矩的方法和使用中的注意事项．该电路功耗小,控制方式简单,通常与大磁矩磁力矩器一同用于大型航天器的姿态控制．     

基于变延时自换向保护的大型磁力矩器控制电路设计

大型磁力矩器工作时需要较大的驱动电压和电流,并且换向时会产生较大的反电动势.设计一种基于变延时自换向保护的大型磁力矩器控制电路,换向检测电路生成换向检测信号,利用驱动磁力矩器的H桥形成泻放回路,根据磁力矩器的工作状态产生不同的延时,解决磁力矩器控制信号换向时产生大反电动势的问题,提高了磁力矩器的工作效率,保证磁力矩器驱动线路安全可靠.通过Saber软件仿真验证了控制电路的正确性.     

磁力矩器的刚度控制技术及应用

使用磁力矩器控制俯仰轴带有偏置动量的卫星的姿态时,沿地磁场方向的控制力矩无法保证.刚度控制策略利用磁力矩器产生控制力矩,加速动量矩矢量绕轨道法线方向的旋转速度,使进动控制方向更快的与地磁场方向分离,进入进动控制的有利位置.针对运行在太阳同步轨道的偏置动量卫星,推导了加入刚度控制项后,其俯仰轴磁矩的表达式.利用蚁群算法ACA(Ant Colony Algorithm)对磁力矩器控制策略中进动反馈系数,章动反馈系数,刚度反馈系数3个反馈系数及相关的3个系数进行了寻优,利用优化的结果进行仿真实验.通过比较刚度控制策略和经典控制策略的仿真试验结果,证明在长期外部干扰力矩下,采用刚度控制可以改善进动控制效率,提高姿态控制精度.      

利用地磁场给飞轮卸载的新方法

通过对圆轨道地磁场强度的变化规律分析 ,将卫星磁力矩器产生的磁矩按傅立叶级数展开 ,根据卫星所需卸载角动量大小 ,按照最优控制理论求出三轴磁矩取值 ,得出飞轮卸载控制律。最后文章给出飞轮卸载稳定性分析和仿真结果 ,表明这种飞轮卸载方法简单而且省能量。     

基于LQR的小卫星磁姿态控制设计

 研究仅采用磁力矩器作为执行机构的近地小卫星姿态控制问题。通过对刚体卫星的非线性动力学和运动学方程在平衡点处进行线性化处理,得到一个线性周期时变系统,应用线性二次最优调节器理论设计出最优磁矩控制律。最后针对某小卫星进行了仿真验证,结果表明所设计的最优控制律可以很好地完成三轴姿态稳定任务。     

电流源在微力矩器校准中的无差激励应用研究CSCD

微力矩器广泛应用于航空航天飞行器,其应用基础为微小输入电流与微小输出力矩的定量关系。在微力矩器校准研究过程中,经济合理的选择输入电流源是必不可少的部分。以某微力矩器校准为例,介绍了电流源在微力矩器校准中无差激励应用研究的过程。即从微力矩器力矩与电流的理论关系出发,把输出力矩的不确定度要求转化为具有无差激励特性的输入电流的不确定度要求。在此基础上,完成了电流源选型,并设计专用的试验验证及判别方法,验证了应用研究结果的合理性。     

卫星磁试验及磁试验设备

<正> 一、卫星磁试验的必要性(一)磁场对卫星工作的影响地球象一块大磁体,地球的磁场不但在地面上存在而且伸向空间,离地球越远地磁场强度越小,卫星在轨道运行期间。磁场对卫星会产生如下影响。1.地磁场对卫星姿态控制的影响卫星在轨道上,卫星的磁矩同地磁场相互作用会产生干扰力矩,影响卫星的姿态。磁干扰力矩表示为     

低轨航天器磁推进及其能力估算

针对地球空间磁场分布特点,提出可用于实现低轨航天器轨道维持、轨道变更的无质消耗推进技术。从基本的磁学理论出发,建立了带磁航天器在地球空间磁场中的飞行磁推力模型,阐述了通过航天器磁性获取无工质消耗连续推力的磁推进概念和原理,阐明了作用机理,提出了磁力矩解耦的磁力线追踪推力策略,给出了磁推进的能力包络和轨道高度保持与提升的典型估算结果。分析表明,当飞行体磁矩达到10⁶Am²量级以上时,可以有效用于600~1000km范围内轨道高度保持或提升。此外,文章还简要分析了实现高磁矩的技术可行性。     

基于磁力矩器的GEO卫星角动量卸载方法

针对GEO卫星的角动量卸载,提出了利用磁力矩器进行卸载的方法.对静止轨道上地球磁场强度进行了分析,对于中国上空的静止轨道区域,静止轨道的磁场主要在卫星Y方向即南北方向,其次在X方向.对开关式磁力矩器的卸载方案进行了研究,列出了卸载需要满足的方程,对方程的解进行了讨论.最后,提出了磁卸载的四个工作模式并进行了仿真,证明该卸载方法具有良好的适用性.     

磁控小卫星周期时变的比例微分控制设计方法

在极地圆轨道上工作的对地定向磁控小卫星,其动力学方程是一个线性周期系统。根据极地轨道地磁场变化的特性,利用卫星的姿态角和姿态角速度作为反馈信号,提出也一种采用磁力矩器的比例微分控制规律设计方法。     

一种新型陀螺的力矩器非圆性误差补偿方法

为提高磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）对陀螺载体姿态的敏感精度,基于其洛伦兹力磁轴承（LFMB）的设计结构,提出了一种力矩器非圆性误差补偿方法。首先,针对一种新型双球形包络面转子MSCSG,介绍了MSCSG的结构特点与陀螺载体姿态角速度敏感原理,并分别建立了MSCSG力矩器半径误差模型、转子偏转干扰力矩模型与陀螺载体姿态角速度敏感误差模型。其次,通过实验测量了力矩器的圆度,通过MATLAB进行数据拟合得到了力矩器的非圆特性,采用勒让德多项式级数对力矩器非圆性进行了描述,并有效补偿了因力矩器非圆性误差导致的姿态角速度敏感误差。最后,对误差补偿效果进行了仿真验证,结果表明该补偿方法使陀螺载体姿态角速度敏感误差降低了83.5%。此外,本文方法还可以解决LFMB陀螺的相关共性问题。      

基于动量轮的航天器全姿态捕获技术

全姿态捕获是指航天器丢失姿态基准而需恢复正常姿态或者定向新姿态目标时的一种控制过程.以往卫星全姿态捕获控制过程一般采用喷气推进系统或磁力矩器作为执行机构,这些方法需要消耗燃料或捕获时间长.提出了一种基于动量轮的全姿态捕获方法,采用的部件为卫星的常规配置,可以实现对任意目标的定向,该方法克服了以往方法的缺陷,在轨验证结果表明该方法有效、工程可操作性强.     

Nanosatellite constellation deployment using on-board magnetic torquer interaction with space plasma

One of the advantages that drive nanosatellite development is the potential of multi-point observation through constellation operation. However, constellation deployment of nanosatellites has been a challenge, as thruster operations for orbit maneuver were limited due to mass, volume, and power. Recently, a de-orbiting mechanism using magnetic torquer interaction with space plasma has been introduced, so-called plasma drag. As no additional hardware nor propellant is required, plasma drag has the potential in being used as constellation deployment method. In this research, a novel constellation deployment method using plasma drag is proposed. Orbit decay rate of the satellites in a constellation is controlled using plasma drag in order to achieve a desired phase angle and phase angle rate. A simplified 1D problem is formulated for an elementary analysis of the constellation deployment time. Numerical simulations are further performed for analytical analysis assessment and sensitivity analysis. Analytical analysis and numerical simulation results both agree that the constellation deployment time is proportional to the inverse square root of magnetic moment, the square root of desired phase angle and the square root of satellite mass. CubeSats ranging from 1 to 3?U (1–3?kg nanosatellites) are examined in order to investigate the feasibility of plasma drag constellation on nanosatellite systems. The feasibility analysis results show that plasma drag constellation is feasible on CubeSats, which open up the possibility of CubeSat constellation missions.     

一种轮控卫星姿态机动变结构控制器

针对小卫星3轴反作用轮姿态控制系统的非线性特性,应用误差四元数来描述姿态运动,将星体大角度姿态机动问题转化为误差四元数的调节问题.利用误差四元数和误差角速度建立滑动模态,并基于Lyapunov定理推导出一种姿态机动的引入角加速度负反馈的变结构控制律.仿真结果表明,该控制律能够提高收敛速度,降低机动过程中角速度的超调量和对起始力矩的要求.同时,在模型参数不确定和有外干扰的情况下该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.      

磁悬浮控制敏感陀螺转子前馈解耦内模控制

磁悬浮控制敏感陀螺以洛伦兹力磁轴承（LFMB）为力矩器驱动转子偏转。针对磁悬浮控制敏感陀螺转子径向转动自由度间存在耦合的问题以及转子偏转高精度快响应要求,提出一种前馈解耦内模控制方法。根据洛伦兹力磁轴承的工作原理建立了转子偏转动力学模型,并设计了前馈解耦矩阵实现转子径向偏转解耦,在此基础上,采用二自由度内模控制器（2-DOF IMC）对转子进行高精度快响应偏转控制。MATLAB仿真结果表明所提出的控制方法可有效实现对陀螺转子偏转的完全解耦,且转子偏转响应时间较交叉PID算法减少57.1%,受0.1sin（2πt）°正弦信号扰动影响产生的偏转波动幅值较交叉PID算法减少76%。      

Characteristics and accuracies of the GRACE inter-satellite pointing

For almost 10 years, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has provided information about the Earth gravity field with unprecedented accuracy. Efforts are ongoing to approach the GRACE baseline accuracy as there still remains an order of magnitude between the present error level of the gravity field solutions and the GRACE baseline. At the current level of accuracy, thorough investigation of sensor related effects is necessary as they are one of the potential contributors to the error budget. In the science mode operations, the twin satellites are kept precisely pointed with their KBR antennas towards each other. It is the task of the onboard attitude and orbit control system (AOCS) to keep the satellites in the required formation. We analyzed long time series of the inter-satellite pointing variations as they reflect the AOCS performance and characteristics. We present significant systematic effects in the inter-satellite pointing and discuss their possible sources. Prominent features are especially related to the magnetic torquer characteristics, star cameras’ performance and KBR antenna calibration parameters. The relation between the magnetic torquer attitude control and the Earth magnetic field, impact of the different performance of the two star camera heads on the attitude control and the features due to uncertainties in the calibration parameters relating the star camera frame to K-frame are discussed in detail. Proper understanding of these effects will help to reduce their impact on the science data and subsequently increase the accuracy of the gravity field solutions. Moreover, understanding the complexity of the onboard system is essential not only for increasing the accuracy of the GRACE data but also for the development of the future gravity field satellite missions.     

磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题,本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中,当磁轴承产生偏转或偏移时,电磁力会指向转子球心,从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩,提高磁轴承的控制精度。首先,阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型,运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度,2种方法的计算结果基本吻合,表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着,运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明当转子达到最大偏转角0.3°时,球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1.8%,表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后,进一步分析球面磁轴承产生X方向或Z方向偏移时的干扰力矩,计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述,本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点,可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。     

基于递推更新卡尔曼滤波的磁偶极子目标跟踪

针对磁性目标跟踪问题,以磁偶极子等效场源模型为基础,建立磁性目标跟踪的离散状态空间模型,将磁偶极子目标实时跟踪问题转化为状态空间模型的滤波估值问题。针对磁性目标初始条件难以获得且现有卡尔曼类滤波算法在大初始误差条件下容易出现发散的问题,提出一种递推观测更新的卡尔曼滤波算法,将现有的一步观测更新描述为递推更新过程,等效降低大初始误差带来的大非线性误差。仿真与实测数据测试结果表明,本文算法具有良好的精度和收敛性,能够有效抑制磁偶极子跟踪中由于大初始误差导致的滤波发散,适于实际应用。     

磁通门磁强计校准装置研究

本文介绍了磁通门磁强计校准装置的系统组成，包括大开口大均匀区的三轴磁场线圈、磁场线圈非均匀性的补偿方法、三轴磁场线圈非正交性补偿方法、串并联组合磁场线圈分流电路等，分析了校准装置的测量不确定度主要来源，给出了验证结果。该装置可开展磁通门磁强计（含传感器）示值误差、线性度、正交度等参数的校准，其成果已应用于十多家单位的磁场测试系统和数十家单位的磁通门磁强计校准。