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。     

绕飞监测小卫星姿轨联合自适应控制研究

针对小卫星近距操作过程中轨道和姿态控制问题,建立了小卫星相对轨道和姿态的误差动力学模型。采用相对轨道和姿态联合控制策略,并考虑小卫星作业过程中质量和转动惯量的不确定性,设计了自适应输出反馈控制律,并证明了其稳定性。最后以对圆轨道目标星近距离环航为例,根据作业任务和姿态指向要求,设计了小卫星相对轨道和姿态的期望运动,应用所提出的控制策略及相应的控制律进行了数值仿真。结果表明,系统跟踪误差能够较快收敛,说明了控制策略的有效性。     

空间飞行器大角度姿态跟踪机动问题研究

研究了姿态跟踪机动问题。通过引入视线坐标系,将时变终端条件的控制问题转化为定边界的控制问题。建立了飞行器相对于视线坐标系的四元数姿态运动学模型,提供了由已知信息计算姿态四元数的函数关系,引入了气度欧拉角变换,基于拟欧拉角信号设计了跟踪机动控制律。通过对空间预警卫星监视低轨道飞行器问题的仿真,验证了设计的正确性。     

面对称高超声速飞行器三通道耦合稳定性控制策略设计判据

针对面对称高超声速飞行器强耦合、弱阻尼的特点，研究了其耦合姿态的有效控制问题。首先，利用稳定轴系的概念推导出了姿态角加速度表达的面对称高超声速飞行器三通道失稳敏感性判别式。然后，给出了三通道耦合稳定性控制策略设计判据。最后，设计了某型面对称高超声速飞行器三通道耦合的姿态控制律，并进行了仿真。仿真结果表明，当控制律满足三通道耦合稳定性控制策略设计判据时，飞行器的姿态稳定；反之，则会出现各类耦合失稳问题。所提控制策略设计判据操作简单、实用性强。     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

仅用星敏感器的卫星姿态估计UKF算法研究

针对无陀螺或陀螺失效等情况下的卫星姿态确定问题,应用基于Unscented变换的Unscented滤波理论,提出了仅利用星敏感器矢量观测信息来确定无陀螺卫星姿态的Unscented卡尔曼滤波算法,并进行了数学仿真,仿真结果表明了所提出的UKF算法在无陀螺情况下对卫星姿态估计的有效性和可靠性。     

挠性卫星执行器故障下的反步容错控制

在轨挠性卫星的工作环境恶劣,不仅有外部干扰和挠性附件振动引起的内部干扰影响本体的姿态,还可能发生执行器故障。针对存在外部干扰和执行器故障的挠性卫星,提出了一种基于故障估计器的容错控制策略。首先,针对未知的外部干扰和执行器故障构造辅助系统,并利用投影函数设计自适应故障估计器估计执行器效率损失因子,同时设计了基于参数自适应律的方法补偿外部干扰、挠性部件震荡引起的内部干扰和执行器加性故障。然后,借助估计信息设计了基于反步法的容错控制器,并利用Lyapunov方法分析了闭环系统的稳定性,进而确保研究的控制方法能够使得挠性卫星的姿态和角速度有效跟踪期望信号。最后,通过数值仿真对比验证了所设计控制器的有效性。该容错控制策略能保证挠性卫星在内外部干扰和执行器故障下的跟踪控制效果,具有实际应用价值。     

应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制

针对卫星姿态机动控制问题,提出一种只利用向量测量信息的无角速度反馈的输出反馈控制方法。卫星姿态的指向直接通过旋转矩阵进行描述,而不是先进行参数化过程,避免了由欧拉角、修正的罗德里格参数（MRPs）与四元数等姿态描述方式产生的奇异问题与退绕问题。首先,通过向量测量信息与一组期望姿态向量,引入一个新的姿态指向误差向量,并对其性质进行分析。其次,进一步结合主导滤波器的思想,设计了无需角速度信息的卫星姿态机动控制器,并应用Lyapunov理论,对闭环系统的全局稳定性进行了严格的证明。最后,对所提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的输出反馈控制算法的可行性和有效性。     

采用变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态跟踪和稳定控制研究

研究以变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)为主执行机构的卫星功率/姿态一体化控制(IPACS)问题。针对卫星的三轴稳定控制和相对惯性系的姿态跟踪问题分别设计了两类自适应控制器,二者都考虑了执行机构的动力学特性,并进行了稳定性的证明。其中前者采用相对姿态描述,可以避免三轴稳定飞行中因惯性姿态旋转方向的选择而引起的控制力矩突变;后者采用改进的罗得里格斯参数(MRPs)描述姿态,简化了控制器设计过程并避免了运动学奇异。对姿态误差的描述,前者采用小姿态角假设下的偏差形式,后者采用现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵,更具有合理性。设计了能够逃离奇异、并具有轮速平衡功能的VSCMGs的操纵律,并应用磁力矩器为VSCMGs进行动量卸载。最后,通过两个算例进行了仿真,验证了所设计系统的可行性和有效性。     

利用转移矩阵进行姿态控制

传统欧拉角控制方法在处理大姿态角机动时往往出现奇异和交联问题。针对这一问题对欧拉角的跳变现象进行了讨论,并从飞行器实际姿态与需求姿态之间的空间关系入手,给出了一种消除欧拉角跳变现象的有效方法－转移矩阵法,仿真计算表明,该方法在大型航天器的姿态控制中可以有效地消除欧拉角奇异、交联和跳跃现象,在欧拉角跳变的情况下仍然能够实现对飞行器的控制。     

GEO卫星地敏自主干扰保护失效实时处置方法

地球同步轨道卫星在每年春分、秋分前后25d左右一般会出现地敏探头太阳干扰,可以采用星上自主方式进行地敏干扰保护,以防御此种干扰的影响。星上自主干扰保护失效时,需要通过地面发送卫星遥控指令处置。由于当前GEO(Geostationary Earth Orbit,地球同步轨道)卫星地球敏感器自主干扰保护失效的实时处置占用遥控平台时间过长,会严重影响卫星有效载荷应用。所以,针对此问题,在地敏确定卫星姿态原理的基础上,分析了地敏自主干扰保护失效的机理,提出了基于软件进程的地敏太阳干扰保护流程和操作计划,设计了基于遥控指令序列的卫星实时判断脚本。经验证,此方法可将遥控平台占用时间从4h缩短至30min以内,为卫星有效载荷应用留出了时间窗口。     

Measuring the Distribution of Ocean Mass Using GRACE

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), which was successfully launched March 17, 2002, has the potential to create a new paradigm in satellite oceanography with an impact perhaps as large as was observed with the arrival of precision satellite altimetry via TOPEX/Poseidon (T/P) in 1992. The simulations presented here suggest that GRACE will be able to monitor non-secular changes in ocean mass on a global basis with a spatial resolution of ≈500 km and an accuracy of ≈3 mm water equivalent. It should be possible to recover global mean ocean mass variations to an accuracy of ≈1 mm, possibly much better if the atmospheric pressure modeling errors can be reduced. We have not considered the possibly significant errors that may arise due to temporal aliasing and secular gravity variations. Secular signals from glacial isostatic adjustment and the melting of polar ice mass are expected to be quite large, and will complicate the recovery of secular ocean mass variations. Nevertheless, GRACE will provide unprecedented insight into the mass components of sea level change, especially when combined with coincident satellite altimeter measurements. Progress on these issues would provide new insight into the response of sea level to climate change. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

空间绳系机器人捕获目标后的面内自适应回收方法

在空间绳系机器人(TSR)捕获目标星后,操作机构与目标星形成质量、惯量和系绳连接点位置等参数未知的组合体,且系绳长度、偏角与组合体姿态严重耦合,控制输入严格受限,回收控制十分困难。针对其回收难题,综合考虑系绳长度、系绳偏角与组合体姿态,利用拉格朗日法建立了轨道面内的动力学模型,并基于动态逆理论设计了一种自适应抗饱和回收控制方法。首先,在对组合体质量、惯量与系绳连接点进行在线估计的基础上,设计一种自适应动态逆回收控制器;然后,设计辅助变量对控制输入进行补偿,解决控制输入受限问题;最后进行仿真验证。仿真结果表明,在线估计器能够快速有效地估计组合体动力学参数,回收控制系统能够利用受限的控制输入克服抓捕时刻的系绳偏角和组合体姿态扰动,并沿设计的回收轨迹实现稳定有效回收。     

质量矩固体推进微纳卫星自适应反演控制律设计

为解决微纳卫星利用固体火箭推进器进行快速轨道机动时的姿态翻滚问题,提出了利用质量矩技术对卫星的俯仰、偏航通道姿态进行稳定控制。首先考虑推进剂燃烧、质量块运动等因素引起的系统质量特性参数的变化,建立质量矩固体推进微纳卫星姿态动力学模型;然后分析了推进剂燃烧、质量矩控制引入的系统模型参数不确定性、连续有界未知干扰;随后基于反演控制方法,设计了卫星姿态角和姿态角速度双回路自适应滑模动态面控制器,利用自适应算法调节控制参数估计来补偿不确定因素的影响;基于Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了控制算法的有效性。     

基于深度森林的卫星ACS执行机构与传感器故障识别

针对卫星姿态控制系统（ACS）闭环回路的故障难以辨识的问题,引入深度森林算法,实现执行机构与传感器故障识别。首先针对可获取的少量卫星姿态控制系统遥测数据,结合系统动力学特性,研究合适的特征选择和特征提取方法,再结合深度森林算法进行故障信息学习与辨识,建立故障预测模型,实现执行机构故障与传感器故障的识别。半物理仿真结果表明：在存在气浮台干扰力矩、卫星转动惯量未知、飞轮非线性特性、闭环故障传播等多种不利因素情况下,深度森林算法对于执行机构和传感器故障具有高效的识别能力。     

IP over CCSDS/AOS空间通信QoS保证方法

首先分析空间通信体系发展趋势,提出基于IP over CCSDS/AOS的空间通信模型。在分析总结了地面网QoS(服务质量)机制和AOS(高级在轨系统)虚拟信道调度机制的基础上,提出一种IP(互联网协议)网络层区分服务与数据链路层AOS虚拟信道动态调度相结合的QoS保证方法。该方法将网络层的业务等级划分映射到AOS的虚拟信道分配算法中,并在此基础上实现AOS虚拟信道的动态调度,提高包括话音、视频在内的综合业务在空间链路传输的性能。     

Feasibility,and Contribution to Ocean Circulation Studies,of Ocean Bottom Pressure Determination

An assessment is presented of the probable magnitude of ocean signals causing aliasing in ocean bottom pressure measurements from the GRACE satellite mission. Even after modelling as much of the high frequency signal as possible, variability between 1 mbar (in quiet ocean regions) and 10 mbar (on some shelves) is likely to remain. Interpretation of the resulting retrievals will therefore rely on the facts that the satellite sampling will average the aliasing signal to some extent, and that the spatial patterns of aliased signal and true signal will be different. To this end, a theoretical argument is given, and supported by model diagnostics, suggesting that observable bottom pressure signals will be strongly constrained by the shape of the ocean floor. The modelled magnitudes offer the prospect of significant detectable signals and, while the model accuracy can be called into question, there are hints from Earth rotation and satellite orbit measurements that significant mass redistributions occur in the ocean. It seems certain that we will learn something new about the oceans from GRACE. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Design of on-board calibration methods for a digital sun sensor based on Levenberg–Marquardt algorithm and Kalman filters

Digital sun sensor is one of the most important sensors used in the Attitude Determination System (ADS) of the satellite. Due to the harsh environmental conditions that exist in the space, various distortions may occur in the sun sensor optical system that lead to the reduced accuracy of this equipment. So, it is necessary to recalibrate the optical parameters of the aforementioned sensors. For this purpose, first a novel attitude independent error model is proposed for the SS-411 sun sensor that includes the central point of the CCD array, installation error, filter thickness and sensor misalignment. So, the mutual interfaces between the sensor parameters are considered in the developed model. In order to extract the sensor parameters, a nonlinear optimization technique called the Levenberg–Marquardt is applied to the developed model as a batch algorithm. In addition, the Extended Kalman Filter (EKF) and the Unscented Kalman Filter (UKF) have been utilized as sequential strategies. It will be shown that by considering a worst case of variation amount for sensor parameters, an accuracy improvement of about 17° is achieved by the developed calibration algorithms. Comparison between the developed algorithms represents that UKF has higher accuracy, shorter time convergence but higher computational load.     

一种地球同步自旋卫星红外弦宽差分定姿方法

 提出了一种定点后地球同步自旋卫星姿态确定方法,推导了它的计算公式。充分利用了定点后卫星相对地球位置固定不变的特点,只利用一个参考矢量和卫星的位置信息,就可以确定卫星的姿态,完全消除了传统定姿态方法的几何条件限制。由于本方法姿态计算过程中利用的是星上红外地球敏感器测量数据的差分值,消除了测量数据中系统差对定姿精度的影响,使定姿精度提高到0.01°,实际工程应用效果进一步证明了该算法的正确性和精度。     

跟踪弹道导弹时预警卫星姿态前馈协同控制

基于角动量守恒定理,推导了跟踪弹道导弹时,具有活动部件的预警卫星姿态前馈协同控制。该控制算法基于角动量守恒方程估计红外相机运动产生的角动量扰动以及为抑制该扰动所需的期望飞轮转速,将期望飞轮转速与实际转速的偏差作为前馈信号加入到传统控制系统中,推导出预警卫星姿态前馈控制模型。最后通过数值仿真验证了控制方法,仿真结果与理论分析具有很好的一致性。并且该控制方法简单、可靠,能够适应卫星在轨实时控制。