适用于低轨道对地定向卫星的DGCMG控制规律

CMG(控制力矩陀螺)用于低轨道三轴稳定对地定向卫星时,会受到卫星轨道角速度引起的陀螺力矩扰动.本文从工程实现的简单性和软硬件的利用性考虑,推导了一种能够补偿卫星轨道角速度影响的DGCMG(双框架控制力矩陀螺)控制规律.     

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺（VSCMG）的航天器姿态／能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据，分别考虑了VSCMG的控制力矩陀螺（CMG）工作模式和反作用飞轮（RW）工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差；在陀螺群远离奇异状态时，用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性，完成按照给定的功率存储／释放能量，并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节，以保持良好地动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例，给出了数值仿真结果。     

基于双框架控制力矩陀螺的航天器动量管理

为减小维持大型航天器的姿态稳定和降低能量消耗的动量管理中的扰动力矩对姿态稳定的干扰,设计了周期性抑制滤波器。姿态控制的执行机构采用双框架控制力矩陀螺群（DGCMGs）,应用KENNEL操纵率,使航天器执行机构的角动量在本体系的x轴分量和偏航角可达稳定,同时角动量在本体系的z轴分量和滚转角可在较小的范围内振荡。数值仿真结果验证了方案的可行性。     

高分辨率敏捷卫星颤振对成像的影响分析方法

高分辨率敏捷卫星在轨姿态机动成像过程中,姿态控制执行机构的控制力矩陀螺（Control Moment Gyro, CMG）在正常工作时会产生附加的扰动力和扰动力矩,经振动传递,造成相机内部敏感光学元件之间的相对运动,从而对图像品质造成影响。为了研究 CMG 颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响,文章采用集成建模分析方法,构建包括扰动、结构、控制、光学在内的颤振集成模型。以某型号空间相机为研究对象,对此相机的动力学特性和光学系统敏感度进行了分析,得到相机敏感光学元件的振动响应,以及颤振在相机焦面产生的像移,研究了CMG颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响分析方法,可为其他类型颤振的影响分析提供参考。     

使用单框架控制力矩陀螺的空间站姿态控制系统建模与仿真

研究使用单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的空间站的姿态控制。完成空间站在轨三轴稳定飞行模式下的动力学和执行机构的建模。基于最小二乘意义下的伪逆原理设计了SGCMGs的控制律。对于框架构形的隐奇异，采用零运动躲避的算法。同时建立了框架电机的动力学、干扰和控制器的仿真模型。提出了适合工程应用的SGCMGs构形显奇异和饱和奇异的工程性的判断条件及卸载方法。为了探讨伺服机构对系统响应特性的影响，进行了分系统级的仿真。仿真模型中包括了空间环境力矩、敏感器及姿态确定模型。仿真中使用了五棱锥构形的SGCMGs，这种构形具有好的冗余度和大的角动量包络。仿真结果验证了五棱锥构形SGCMGs对大型航天器的三轴姿态控制的可行性及有效性。     

星上转动部件对卫星姿态的影响分析及补偿控制

研究了考虑有效载荷运动部件干扰时三轴稳定卫星的姿态控制。由卫星有效载荷转动部件运动规律建立了转动部件和挠性太阳帆板的动力学模型,根据干扰力矩的特点,提出了一种通过设定角动量交换系统标称值条件对卫星进行控制,以及抑制变速转动部件引起卫星本体姿态扰动的前馈控制的方案。仿真结果表明,该控制方案可有效消除星内外干扰力矩对姿态控制精度的影响,卫星的指向精度优于0.2°。     

低轨偏置动量卫星气动干扰力矩补偿控制研究

针对低轨卫星由于气动干扰力矩较大导致偏置动量控制精度较低的问题,理论分析了气动干扰力矩并进行建模,讨论了基于角动量与角速率作用产生陀螺力矩的影响。固定偏置动量卫星X、Z轴基于磁力矩器控制,气动干扰力矩严重时又处于磁不可控区,为确保姿态控制精度,考虑增加1台反作用飞轮抑制气动干扰力矩,反作用飞轮可与偏置动量轮组成单自由度偏置动量控制,反作用飞轮用作补偿轮,沿X轴安装。采用飞轮角动量补偿和磁补偿方法提高固定偏置动量控制精度:为防止赤道上空X轴处于磁不可控区时补偿轮角动量变化对X轴的干扰,对补偿轮角动量输出进行限幅,给出了补偿算法;为防止反作用飞轮限幅后角动量对Z轴产生干扰,设计了磁补偿控制策略。仿真结果表明:在同时采用角动量补偿和磁补偿后三轴姿态控制精度0.2°,较无补偿时有大幅提高。     

航天器柔性太阳翼最优PPF主动振动抑制方法

针对采用可变速控制力矩陀螺(VSCMG)进行柔性太阳翼振动抑制问题,提出一种基于求解非光滑 H∞ 综合问题的最优参数正位置反馈(PPF)控制方法。首先,建立考虑VSCMG和柔性太阳翼耦合的振动模型,得到了线性化的约束陀螺柔性板动力学模型,基于同位控制思想推导了以角度陀螺为测量装置的约束陀螺柔性板全阶状态空间模型。针对被控对象特性,确定最优PPF控制器的结构构型和待优化参数。进而,通过对约束陀螺柔性板全阶状态空间模型进行降阶、修正和加权处理,将PPF控制器参数优化问题转化为在PPF控制器构型约束条件下的非光滑H∞综合问题,并应用一阶下降算法进行寻优求解,实现最优PPF控制器的设计。该方法能够实现对各阶陀螺模态的独立控制,在保证快速性和鲁棒性的前提下,实现最优PPF参数的稳定高效求解。仿真结果表明,所提出的最优PPF控制方法能够快速、鲁棒地实现航天器柔性太阳翼的主动振动抑制。     

采用单轴双太阳帆板空间站的一种姿态定向模式

采用单轴双帆板供电和单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的倾斜轨道空间站,当太阳方向与轨道面夹角较大时,帆板的光照条件不易保证,为此本文针对这种类型的空间站设计了一种姿态定向模式以保证帆板的光照条件,并通过在阴影区姿态机动,利用重力梯度力矩对SGCMG进行卸载。仿真结果表明,该姿态定向模式满足太阳帆板的光照条件,重力梯度力矩卸载方法保证了SGCMG中的角动量不超出给定的范围。     

空间站基于动量管理的集成能量与姿态控制系统

研究了使用飞轮和变速控制力矩陀螺的空间站基于动量管理的集成能量与姿态控制系 统（Integrated Power and Attitude Control System IPACS）。设计了使用飞轮和变速控 制力矩陀螺的空间站基于动量管理的IPACS框架,通过仿真验证了基于动量管理的IPACS的有 效性,以及相对于单独的IPACS的优越性,同时变速控制力矩陀螺因同时具备飞轮和框架力 矩陀螺的特点更适用于空间站长期在轨的姿态控制和能量存储要求。
     

基于直接自适应控制的挠性航天器高精度姿态控制

研究了挠性航天器高精度姿态控制问题.考虑被控对象的非线性、外部干扰以及挠性结构和惯量参数不确定性,设计了直接自适应姿态控制律.通过对经典直接自适应控制中参数自适应律的改进,进一步提高了姿态控制系统性能.该控制系统不仅考虑了挠性结构和惯量参数不确定性,同时考虑了系统非线性特性及外部干扰,且参考模型阶数小于实际被控对象阶数...     

基于有向图的航天器编队鲁棒自适应姿态协同跟踪控制

针对一组有向通讯拓扑关系的编队航天器的协同控制问题,考虑航天器的模型不确定性(指惯量不确定性)以及受到的外部干扰的影响,设计了分布式自适应协同姿态跟踪控制器,使得各航天器姿态协同的同时跟踪时变的期望姿态。首先,针对由MRP参数描述的航天器误差动力学方程,选取了包含相对误差项以及绝对误差项的滑模面,将模型不确定项和外界干扰项作为整体处理,基于Lyapunov稳定性理论给出了非回归项的自适应算法和分布式协同跟踪控制律的设计方法,以使得各航天器协同收敛到期望的姿态,最后通过仿真验证了该算法的有效性、可行性。     

遥感卫星在轨微振动测量数据分析

介绍某遥感卫星的在轨微振动测量方案,并从背景噪声、扰动源特征、星体结构传递特征三个方面对测量数据进行分析。由测试数据发现,控制力矩陀螺（CMG）和动量轮引起的局部扰动较大,而传递至有效载荷处的扰动主要由CMG和双轴天线引起。星体结构对微振动有良好的衰减作用,有效载荷安装面的响应相对于振源得到了大幅衰减。     

An improved installation for control moment gyros and its applications on reconfiguration and singular escape

A cluster of control moment gyros (CMGs) is widely used as the actuator of attitude control for modern satellite. However, to use CMGs will induce some accessional problems, like the singularity and the failure of them. In this paper, a rotator for the support bracket of each control moment gyro (CMG) is adopted and its application on reconfiguration and singular escape is discussed. The first step puts forward a novel reconfiguration scheme for the CMGs and applied on a satellite, which can adjust the installation angles of the remaining CMGs and make the CMGs remain axial symmetry. Then the characteristic of the output torque is studied in the process of reconfiguration of the CMGs. Based on this characteristic, a special steering law of the CMGs is designed to counteract the disturbance from the reconfiguration. The feasibility of singularity avoidance via the reconfiguration is also discussed by calculating the derivative of the singularity measurement to the installation angle. A singularity avoidance steering law is proposed based on the above calculation.     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

采用VSCMGs的航天器IPACS设计的一种投影矩阵方法

研究以变速控制力矩陀螺群（VSCMGs）为执行机构的能量／姿态一体化控制系统（IPACS）中的操纵律设计问题。建立了带VSCMGs的刚性航天器的动力学方程，用Lyapunov方法设计了渐近稳定的姿态控制律；在对VSCMGs的动力学进行详细分析的基础上，用投影矩阵法设计了一种操纵律，该算法将姿态控制指令力矩分解成两个力矩分量之和，其中一个由陀螺模式提供，另一个由飞轮模式提供，从而使VSCMGs处于构型奇异时陀螺模式也处于工作状态，降低了飞轮模式的负荷；文中证明了IPACS所需的变速控制力矩陀螺（VSCMG）个数最少为3，并分析证明了所设计的算法可以有效地解决姿控／储能一体化设计中可能出现的奇异问题。仿真结果验证了所设计算法的可行性。     

一种利用动量轮的弹头姿态控制系统概念研究

对一种以动量轮为执行机构的具有中性静稳定外形的再入弹头姿态控制系统进行了概念研究。从动量矩定理和中性静稳定原理阐述了这种控制方案从理论上是可行的。推导了动量轮控制弹头的姿态动力学方程，并基于分离时间尺度方法设计了姿态控制系统。对该姿态控制系统仿真研究表明：1）姿态角跟踪回路性能良好；2）在不需要太大的动量轮控制输入力矩的情况下，能实现滚动通道稳定控制；3）俯仰和偏航通道的正弦跟踪需要相对较大动量矩的动量轮作为执行机构来实现高精度跟踪控制。