微小卫星剩磁在轨标定技术研究

 基于微小卫星姿态确定系统常采用无陀螺配置方案,克服环境干扰力矩的影响并提高微小卫星姿态确定的精度是此类姿态确定系统的关键。分析了星上稳定剩余磁场对无陀螺微小卫星姿态确定的干扰机理,建立了卫星剩余磁矩与磁强计偏置标定模型。以磁强计、太阳敏感器作为姿态敏感器件,并采用扩展卡尔曼滤波器实现标定算法,为无陀螺磁测微小卫星消除剩磁干扰,获得高精度姿态估计提供了一种新方法。仿真结果表明：该方法能准确估计卫星剩余磁矩与磁强计偏置,磁强计偏置的标定精度在1 nT左右,剩余磁矩的标定精度为0.000 1 A·m²量级,有效消除了剩磁对无陀螺卫星姿态确定的影响,显著提高了姿态确定精度,滤波器能在500 s内收敛。     

磁悬浮反作用飞轮剩磁矩分析与补偿方法研究

为对磁悬浮反作用飞轮的剩磁矩(RMM)进行分析及最小化设计,提出一种基于等效磁偶极子模型的剩磁矩计算方法.利用有限元仿真空间磁场分布,通过选取3个特征平面的磁场反推得到剩磁矩.对不同工作状态下飞轮样机剩磁矩的大小及变化范围进行了分析,并在此基础上给出了磁悬浮反作用飞轮剩磁矩优化设计方法及补偿方法.分析结果表明.通过磁轴...     

主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配

基于主被动复合驱动的思想提出一种大伸展/收拢比、高载荷/自重比的新型伸缩式伸杆机构,以满足微纳探测器的实际应用需求,用于支撑各类探测载荷远离航天器本体,避免本体剩磁对空间待测信号的干扰,保证探测数据的准确性。首先,探索描述被动驱动源（弹簧铰链）的力矩驱动特性;然后,分析柔性伸杆的弯曲、扭转、压平和卷曲等力学性能。在此基础上,结合建立的柔性伸杆伸展速度、负载动能、弹簧铰链势能及主动驱动（电动机）力矩等参数的能量流约束方程,进行主、被动驱动和柔性伸杆的参数匹配研究;最后,利用有限元软件仿真和样机平台实验验证了参数匹配的合理性。仿真与实验结果表明,针对主被动复合驱动的空间探测柔性伸杆机构,通过合理的参数匹配,可实现柔性伸杆无褶皱地平稳伸展和收拢,为后续的机构设计和控制方案奠定了基础。     

主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配简

 基于主被动复合驱动的思想提出一种大伸展/收拢比、高载荷/自重比的新型伸缩式伸杆机构,以满足微纳探测器的实际应用需求,用于支撑各类探测载荷远离航天器本体,避免本体剩磁对空间待测信号的干扰,保证探测数据的准确性。首先,探索描述被动驱动源（弹簧铰链）的力矩驱动特性;然后,分析柔性伸杆的弯曲、扭转、压平和卷曲等力学性能。在此基础上,结合建立的柔性伸杆伸展速度、负载动能、弹簧铰链势能及主动驱动（电动机）力矩等参数的能量流约束方程,进行主、被动驱动和柔性伸杆的参数匹配研究;最后,利用有限元软件仿真和样机平台实验验证了参数匹配的合理性。仿真与实验结果表明,针对主被动复合驱动的空间探测柔性伸杆机构,通过合理的参数匹配,可实现柔性伸杆无褶皱地平稳伸展和收拢,为后续的机构设计和控制方案奠定了基础。     

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。     

空间站姿态/动量联合非线性控制

从Lyapunov稳定性理论出发,设计了一个非线性控制器,实现了空间站姿态和控制力矩陀螺角动量的联合控制。在此基础上,为抑制周期性环境干扰力矩对姿态控制性能的影响,引入了周期性扰动抑制滤波器,对非线性姿态/动量控制器进行了改进。改进的控制器不但可以抑制空间站姿态的周期性波动,而且可在满足特定飞行任务的前提下,建立空间站指向和控制力矩陀螺动量管理间的折中。控制器参数物理意义明确,易于调整。对空间站姿态控制/动量管理系统的仿真结果表明,该控制器是可行的。     

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。     

使用固体火箭发动机的快速机动卫星质量矩控制研究

针对使用固体火箭发动机进行卫星快速变轨机动时的姿态翻转问题,提出使用二维质量矩控制技术予以解决。首先分析了喷气阻尼力矩对三轴稳定卫星姿态的影响,随后建立了考虑推进剂燃烧过程的完整动力学模型,并从通道耦合以及扰动力矩角度对模型特性进行了分析;最后利用仿真手段对质量矩控制卫星姿态的可行性进行了仿真分析,同时考察了发动机不同装药形式以及外形尺寸对控制系统操纵性能的影响。结果表明:二维质量矩控制卫星姿态是切实可行的,且短粗型的发动机结构对控制系统设计更加有利。     

11位巴克码的LP滤波器及其在多普勒频移下的性能

本文介绍使最大旁瓣值最小的11位巴克码滤波器（LP滤波器）的计算结果。并介绍多普勒频移对这种滤波器性能影响。LP滤波器长度为53时,旁瓣电平降到—39.5dB,比匹配滤波器改善18.7dB。对加权序列长度L为41、45、49和53的11位巴克码的LP滤波器计算结果表明,其性能受多普勒频移的影响表现为:它们的主瓣电平下降、主瓣展宽、最小旁瓣电平上升、旁瓣电平平方和上升和信噪比损失增大。在较小的多普勒频移（f_d）时,L大的LP滤波器其性能优于L小的LP滤波器,在多普勒频移交大时,这种优势逐渐消失,不同长度LP滤波器性能大体一致。     

GEO通信卫星姿态对点波束天线指向影响分析

GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)通信卫星的姿态变化将直接导致星载点波束天线的指向发生偏移,从而改变点波束的覆盖区域,降低用户的通信质量。为此,建立姿态偏差角度与点波束天线指向的计算关系,为量化评估卫星姿态对点波束指向影响提供理论依据;进一步通过仿真直观展示了不同姿态偏差下点波束天线指向的变化情况,定性分析了其变化趋势。仿真表明:卫星存在俯仰和滚动姿态偏差时,点波束天线指向将分别发生东西和南北方向的偏移,卫星存在偏航姿态偏差时,点波束天线指向将绕星地连线发生转动。所建立的计算关系将卫星姿态变化与点波束通信相结合,使卫星姿态控制更加及时准确,显著增强了点波束通信的可靠性。     

球面磁悬浮万向飞轮转子轮盘优化设计

为实现磁悬浮飞轮的磁路解耦,消除磁轴承相互干扰,提出一种球面磁悬浮万向飞轮转子方案,采用轴向和径向两个球面磁阻式磁轴承控制转子的3个平动自由度,结合洛伦兹力磁轴承实现了磁悬浮飞轮转子五自由度全主动控制、全通道磁路解耦,以精确控制飞轮转子万向偏转,为提升磁悬浮飞轮姿态控制力矩带宽和姿态敏感精度提供了方案支持。根据球面转子结构特性,以质量为优化目标,以一阶共振频率、最大等效应力、刚体位移、极转动惯量、惯量比、质心与形心距离为约束条件,利用多学科优化软件iSIGHT集成ANSYS有限元分析软件,选取序列二次规划算法,对球面转子轮盘进行优化设计。结果表明,在满足设计指标的同时,轮盘质量降低了2.98%,质心与形心的距离大幅降低了1个数量级,仅为12 μm,转子高速旋转时的刚体位移为13.65 μm,有效保证了球面转子在工作时的稳定性和可靠性。     

基于磁强计测量的微小卫星轨道姿态 耦合确定方法

针对基于磁强计测量的微小卫星, 提出了基于串并联混合策略的轨道姿态 耦合确定方法。滤波初期,考虑到估计误差较大,采用先地磁场大小测量的轨道确定、 后地磁场矢量测量的姿态确定的串联策略;稳定后,采用基于矢量测量的轨道、姿态同 步确定的并联策略。为降低轨道、姿态确定的相互影响,设计了基于信息的鲁棒Kalman 滤波,通过自动调节增益矩阵处理两个滤波系统间的影响。仿真表明,该方法在提高鲁 棒性的同时,还能适当提高状态估计的精度。     

Attitude determination with UD implementation of decoupled bias estimation

The application of the UD implementation decoupled bias estimation to attitude determination is analyzed here. The advantage of decoupled bias estimation in general is the reduction in the dimensions of the filter and the subsequent reduction in the amount of processing. The purpose of the UD implementation is to mitigate the effects of round-off errors. A unique advantage of the application of decoupled bias estimation to attitude determination is that the bias processing can easily be turned off whenever a reconfiguration to a bias-free estimator mode is necessary. A comparison of the attitude error of the UD decoupled Kalman filter attitude uncertainty is given with respect to the coupled Kalman filter attitude uncertainty during the time periods when the bias processing is turned off. A detailed discussion of the UD implementation is given.     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

Attitude control system design and on-orbit performance analysis of nano-satellite––‘‘Tian Tuo 1’’

‘‘Tian Tuo 1'(TT-1) nano-satellite is the first single-board nano-satellite that was successfully launched in China. The main objective of TT-1 is technology demonstration and scientific measurements. The satellite carries out the significant exploration of single-board architecture feasibility validation, and it is tailored to the low-cost philosophy by adopting numerous commercialoff-the-shelf(COTS) components. The satellite is featured with three-axis stabilization control capability. A pitch bias momentum wheel and three magnetic coils are adopted as control actuators.The sun sensors, magnetometers and a three-axis gyro are employed as the measurement sensors.The quaternion estimator(QUEST) and unscented Kalman filter(UKF) method are adopted for the nano-satellite attitude determination. On-orbit data received by ground station is conducted to analysis the performance of attitude determination and control system(ADCS). The results show that the design of ADCS for TT-1 is suitable, robust and feasible.     

一种用于仿生导航无人机航姿求解的混合滤波方法

针对现有组合导航系统易被干扰欺骗以及姿态求解精度不足的问题,设计了惯性测量单元(IMU)与偏振光传感器组成的航姿参考系统(AHRS)。同时,考虑到传统的姿态求解方法精度不高,提出了一种用于仿生导航无人机航姿求解的混合滤波方法。将Mahony滤波后的姿态值作为系统观测量,再结合扩展卡尔曼滤波(EKF)实现传感器数据的深层融合,以获得高精度的姿态角信息。实验结果表明：在静态环境下采用混合滤波方法求解的姿态值能有效滤除偏振光传感器和加速度计内部噪声干扰,其稳定性明显优于两种方法各自求解时的情况;在动态实验中该方法能有效抑制单独采用Mahony滤波时存在的超调问题,表现出更高的动态解算精度,从而为偏振光组合导航系统提供了更精确的姿态估计信息。     

Regularized Robust Filter for Spacecraft Attitude Determination

A modified regularized robust filter is proposed for spacecraft attitude determination in the presence of relative misalignment of attitude sensors. The filter is designed to minimize the worst-possible residual norm on condition that there is parametric uncertainty in the measurement model. The weighting matrix of the residual norm is designed to minimize the upper bound of the estimation error variance. The performance of the proposed attitude determination robust filter is illustrated with the use of real test data from a real three-floated gyroscope. Simulation results demonstrate that the attitude estimation accuracy is improved by using the proposed algorithm.     

采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制

以框架角受限的金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构,研究了航天器欧拉姿态机动控制问题.考虑控制力矩及航天器角速度约束等因素,对已有的姿态机动控制律进行了改进,使其能实现绕欧拉轴的大角度姿态机动.同时考虑力矩陀螺框架角受限情况,通过适当加入空转指令对框架角进行重构,设计了复合控制形式的控制力矩陀螺操纵律,并通过过渡...