GEO卫星在轨横向质心快速估算方法

针对地球静止轨道(GEO)卫星转移轨道段推进剂消耗量大,卫星横向质心偏移,导致变轨过程中发动机产生较大干扰力矩等情况,提出在轨使用推力器进行卫星横向质心估算的方法。为保证卫星姿态稳定控制,采用推力方向相同、力矩方向相反的成组推力器同时喷气激励,再用陀螺进行角速度测量,避免因力矩过大、控制系统暂停闭环控制时卫星产生较大的角速度。利用实例对横向质心估算方法进行仿真验证,结果表明:估算方法仅需10s的连续喷气激励,避免了卫星姿态的波动,估算误差可控,可用于GEO卫星转移轨道段的质心估算。     

一种海洋测高卫星质心在轨估计算法

为了满足海洋测高卫星在轨质心位置精度的要求,提出了一种使用陀螺仪测量数据在轨估算卫星质心位置的算法。该算法利用推力器工作产生外力矩,采用总体最小二乘法,综合考虑了实际推力器推力的误差及陀螺仪的测量误差,由卫星的姿态动力学方程估算得到卫星质心位置。数值仿真证明了该算法的有效性,结果表明质心位置的估计精度在毫米量级,可以满足海洋测高卫星对质心位置精度的需求。     

基于推力器的组合航天器质量特性辨识方法研究

组合航天器的质量特性辨识对提高其姿态轨道控制的精度和快速性有至关重要的作用。对基于推力器的总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识进行了研究。基于推力作用下的平动方程可得到质心位置和总质量的耦合辨识方程,基于转动方程可得到转动惯量和质心位置的耦合辨识方程,通过对角速度和线加速度进行多次采样,利用最小二乘法求解这2类辨识方程可完成总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识。基于上述辨识原理,提出一种闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,通过设计合适的推力器工作策略,实现总质量、质心位置和惯量矩阵的解耦辨识,并采用一种不依赖于转动惯量的控制算法,使组合航天器的姿态在辨识结束后恢复到稳定状态。仿真表明,采用闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,可保证组合航天器在推力器激励后的姿态稳定性。在仿真采用的动力学干扰、推力器误差和敏感器误差下,总质量、质心位置和惯量矩阵的辨识精度可达到10-3量级。     

一种新型卫星携气瓶推力器喷气时长计算方法

卫星自主编队保持通常采用开环控制模式,需要星载计算机(AOCC)根据推进系统的工作状态实时计算喷气时长。由于AOCC计算能力有限,在携气瓶推力器仿真测试过程中采用的速度增量关机方式不适用于在轨喷气时长的计算。为减小AOCC运算量,提高控制精度,开展了携气瓶推力器的动力学建模仿真,进行了寿命期间的性能分析。针对该时变推力模型,设计了AOCC喷气时长计算方法。通过推力的状态传递和推力预测,构造了以喷气时长为变量的代数方程,并将该方法应用到一组多次喷气情况下的喷气时长计算。仿真结果显示:与以往基于单点测量的推力器喷气时长的计算方法相比,采用该方法计算的喷气时长更接近理论值,能够有效提高卫星自主编队保持的控制精度。     

考虑姿轨耦合的航天器高精度实时导航定轨方法

针对近地轨道航天器及其全球导航卫星系统(GNSS)测量数据驱动的实时导航定轨方法,使用轨道动力学原理解析了由GNSS天线安装位置与航天器质心偏差造成的定轨误差。基于航天器在轨的刚体运动特性和对地姿态特征,提出针对安装关系对应的相对速度修正项。使用姿轨耦合的分析方法,明确了基于航天器质心轨道积分和天线测量点位速修正的GNSS测量信息模拟。结合扩展卡尔曼滤波(EKF)形式的实时导航算法,分析了安装关系造成的定轨系统误差。围绕半长轴确定误差的长期变化规律,仿真证明了GNSS测量数据的位速修正在高精度实时导航定轨过程中的必要性。     

490N发动机高精度推力矢量保证方法

针对地球静止轨道(GEO)卫星490 N发动机推力矢量在卫星转移轨道无法通过卫星质心,对卫星姿态产生干扰,进而引发卫星推进剂的多余消耗,使得卫星在轨寿命减少的问题,文章提出了一种490 N发动机高精度推力矢量保证方法,分析了影响高精度推力矢量的各种因素,并从力学安装环境、低变形支架和地面安装调整3个方面进行了设计保证,经风云四号(FY-4)卫星工程研制和飞行验证,转移轨道段推进剂消耗量小于设计值,结果表明:该保证方法可行有效,可为后续GEO卫星的总体设计和研制提供参考。     

非质心特征点相对位置和姿态估计方法研究

卫星编队飞行中,从星星体上偏离质心的任意特征点,其相对位置和相对姿态运动耦合。本文针对任意点的相对状态估计问题,推导了耦合相对轨道动力学方程和无陀螺相对姿态动力学方程,并且基于PSD敏感器对主星上点光源的视线测量值,提出了基于特征点耦合动力学和质心传统动力学的两种相对状态估计策略。针对每种策略分别设计了EKF和UKF两种滤波算法对相对状态进行估计。最后通过数学仿真对算法的有效性进行了验证,并对其计算量进行了分析。结果表明,四种算法均能对特征点的相对状态进行较高精度的估计。     

GEO电推进卫星轨道漂移策略研究

为满足GEO卫星定点位置调整的需求,利用电推力器在GEO上的控制方法,以轨道倾角、漂移经度和漂移率为目标,提出了一套结合南北位置保持的GEO卫星电推进轨道漂移策略。通过分析电推进平台在进行位置保持时的电推力器控制方法,设计电推力器点火策略,得出了漂移阶段推力器点火时刻及时长的计算方法,并分析出漂移各个阶段时间的估算公式。利用龙格库塔法对该策略进行了数值仿真验证,结果表明:文章中提出的电推进平台轨道漂移策略能够在无须姿态大幅调整并不增加额外燃料消耗的基础上完成对目标经度的轨道转移,满足漂移任务要求,并保证轨道倾角在漂移过程中稳定在0.01°以内。     

静止轨道卫星南北位置保持推力器效率补偿方法及应用

文章通过对南北位置保持原理和10N推力器工作原理分析发现,由于推进系统10N推力器安装位置差异等因素,使成对点火的推力器产生的控制力矩存在偏差,在控制过程中不可避免地会出现卫星姿态超调量过大的现象。针对某静止轨道卫星位置保持过程中卫星姿态超调量过大现象的分析,提出了南北位置保持的推力器效率补偿方法,在实际在轨操作中有效地解决了姿态角超调量过大问题。     

基于倾角修正的太阳同步轨道降交点地方时主动控制及应用

研究通过近圆太阳同步轨道卫星倾角修正控制使卫星降交点地方时反向漂移的方法,给出了控制动力学方程,分析了倾角控制的电源、轨控推力器和地面测控系统等约束条件并提出了轨道控制方案。介绍了我国首次太阳同步轨道卫星大倾角修正控制的在轨实践,对轨道倾角控制精度进行了分析和评估。修正过程中利用陀螺常值漂移对姿态机动的影响,使倾角控制对半长轴产生有利的耦合作用,减少了推进剂消耗。在轨实测结果验证了该法对降交点地方时漂移控制的有效性。     

充液航天器大幅晃动耦合动力学建模仿真研究

针对充液航天器大幅液体晃动与全星姿态运动的耦合问题,文章采用三维质心面法建立了储箱级等效力学模型和全星级耦合姿态动力学方程。该方法将储箱内液体等效为只能在其质心面内运动的质心点,而液体晃动对储箱的作用力（含力矩）用质心点与质心面之间的相互作用来模拟,同时利用牛顿欧拉法推导了液体晃动与航天器姿态运动的耦合动力学方程。数值仿真表明,计算结果与其国外实验卫星的在轨测量结果基本一致,从而初步验证了质心面等效力学模型用于全星级大幅液体晃动耦合动力学分析的有效性。     

某大结构变化空间飞行器转动惯量在轨估计

针对某空间飞行器在轨运行时转动惯量变化大的特点,对其转动惯量的在轨估计方法进行了研究。基于姿态动力学模型建立状态方程,用陀螺测得的角速度、推力标称值和推力作用点的位置信息构造量测,用最小二乘法估计转动惯量。仿真结果证明了算法的有效性,误差小于5%。估计算法计算简单,估计时间和所用燃料消耗少,工程上易于实现。     

基于磁强计卫星初始入轨速率阻尼控制

对三轴稳定对地定向卫星初始入轨基于磁强计的速率阻尼控制进行了研究。当在小采样时间间隔条件下 ,地磁场矢量在惯性坐标系下的变化可以忽略 ,采用磁强计连续测量地球磁场获得姿态数据 ,通过推广卡尔曼滤波建立了较完整和准确的姿态估计器模型。设计了喷气推力器控制规律 ,通过数学仿真表明本文提出的算法能够替代陀螺对卫星初始入轨的姿态进行速率阻尼 ,满足卫星控制精度要求     

卫星双向时间传递中的卫星运动误差研究

对转发卫星运动引入误差进行了研究。推导了卫星双向时间传递中的卫星运动误差模型,用两行轨道根数（TLE）对目前在轨的多颗地球同步轨道卫星（GEO）的运动进行计算。仿真结果显示：GEO卫星的受摄运动导致的卫星运动误差迭数百皮秒,卫星运动规律呈现周日特性,导致1d中不同时刻进行的卫星双向时间传递操作产生不同大小的卫星运动误差。     

太阳翼不同转角的卫星在轨模态频率计算方法

卫星挠性振动频率会随着太阳翼的转动发生变化,在卫星动力学频率规划设计时尤其需要考虑到,以避免发生耦合振动。文章针对具有太阳翼的卫星,研究了太阳翼转动时由于星体构型变化对卫星模态频率产生的影响。通过建立卫星动力学混合坐标方程,推演出卫星结构动力学特征方程,在太阳翼转到不同角度时对卫星系统模态进行解算,从而获得一种具有太阳翼的遥感卫星系统模态计算方法。以某遥感卫星为背景进行了在轨模态计算,并与该卫星陀螺姿态角速度遥测数据对比,误差小于10%,验证了在轨模态计算方法的准确性。     

一种适于GEO卫星姿轨控结合的正常模式东西控制方法

为提高某DFH-3平台地球同步轨道(GEO)卫星正常模式下东西位置保持的效率,缩短控制时间,提出了一种卫星姿轨控结合的控制方法。基于东西位保、动量轮姿态控制原理,分析发现推力器不对称性是导致原控制方法效率不佳的主要原因,给出了在轨控过程中进行角动量主动补偿控制的方法。方法在实际任务中得到了验证,减少了控制过程中姿态和动量轮转速变化,显著减少了控制时间。可推广用于推力器对称性较差的GEO卫星正常模式东西位置保持控制。     

单太阳翼放气干扰力矩分析

针对静止轨道单太阳翼卫星在转移轨道段,太阳翼展开对日定向稳定控制过程中,太阳翼结构的初期放气干扰力矩对姿态影响的问题,利用卫星姿态动力学模型、姿态变化和推力器等参数,估计太阳翼放气产生的干扰力矩。通过理论仿真,验证了估计方法的正确性。以风云四号(FY-4)卫星为例,在轨实时估计结果表明:FY-4卫星太阳翼放气持续时间近11个小时,初期最大干扰力矩达37mN·m,比光压力矩约大2个量级,其对姿态影响不可忽视。文章的研究结果可为地面控制系统设计和在轨控制参数修改提供数据参考。     

GEO卫星电推力器安装位置优化研究

针对配置电推力器的地球静止轨道(GEO)卫星,研究了以位置保持效率为指标的电推力器最佳安装位置。分析了南北、东西位置保持所需推力大小与工作时间的关系,得到推力器安装位置与位置保持可控性的定量关系。分析了电推力器安装位置与角动量卸载能力的关系,电推力器的推力方向越接近垂直,角动量卸载能力越大。以位置保持效率为最优目标,考虑卫星尺寸、位置保持可控性和角动量卸载能力等约束条件,给出了电推力器最优安装位置的确定方法:根据位置保持效率及卫星尺寸约束,确定电推力器纵向与垂向安装位置;根据位置保持可控性和角动量卸载能力等约束条件,确定电推力器横向安装位置。利用一个典型优化算例对此方法进行验证,结果表明:该优化方法能够确定满足约束条件下的电推力器最优安装位置,可为GEO卫星电推进系统的布局设计提供参考。     

姿轨一体化控制航天器推力器构型设计

推力器构型设计作为航天器控制系统设计的一部分,它确定各推力器在航天器上的空间方位。本文针对航天器姿态与轨道一体化控制系统进行冗余推力器构型设计,期望设计出一套姿态与轨道控制系统共用的推力器配置来实现姿态与轨道的一体化控制。文章首先分析了推力器构型设计的任务与约束条件,再分别设计各推力器的安装位置与推力方向,并得出了确保力矩幅值最大时推力器2个安装角的约束条件。仿真算例验证了该推力器配置方案的可行性。     

航天器快速绕飞任务的六自由度滑模控制研究

随着航天器在轨服务的发展,快速绕飞成为当前航天任务设计的一个重要课题.快速绕飞采用受限相对运动轨迹,为了实现任务目标需要考虑航天器位置与姿态的六自由度耦合控制问题.采用滑模变结构控制理论,解决了航天器快速绕飞的六自由度推力控制问题.首先.从完全非线性相对轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数表示的姿态运动学方程出发,建立了包含未知有界干扰的六自由度动力学模型,该模型形式简单,适用于任意偏心率的目标轨道;其次,以圆形绕飞为例,给出了任意方位快速绕飞轨迹的数学表示和任意位置期望姿态的计算模型;然后,考虑航天器形状及推力器配置,应用滑模变结构控制的趋近律方法,设计了对未知有界干扰具有鲁棒性的控制律.最后的仿真算例验证了控制律的有效性.