无陀螺磁控小卫星的大角度姿态捕获研究

为了解决无陀螺磁控小卫星的姿态稳定和捕获问题,本文针对偏置稳定的主动磁控小卫星姿态控制平台,基于磁控力矩的时间累积作用效果等效卫星角动量增量的规律,设计了一种仅利用角度反馈的卫星大角度磁捕获控制律。通过仿真和卫星在轨实测的验证,证明该方法具有良好的收敛效果和鲁棒性,工程实现简单,可靠性高,适用于中低轨道的通信小卫星。     

磁控微小卫星速率阻尼和姿态捕获研究

针对非重力梯度稳定、偏置动量轮加三轴磁控的微小卫星初始姿态控制阶段，采用B-dot控制进行速率阻尼，设计了滑模控制律进行姿态捕获。除了磁控阻尼-捕获-动量轮起旋外，还首次提出了B-dot加动量轮常速起旋、磁控加动量轮姿态捕获的新方法。仿真结果表明，纯磁控的B-dot方法能有效得进行速率阻尼，滑模控制捕获姿态精度高、时间短；B-dot阻尼同时进行动量轮开环起旋，可以迅速使姿态稳定，滑模磁控律可以有效得对偏置动量卫星进行大角度姿态控制，尤其该新方法操作简捷，明显减少初态控制时间。     

基于主动磁控制的微小卫星姿态控制

针对偏置动量稳定的微小卫星,提出了一种仅利用磁强计作为定姿部件,磁力矩器作为主动控制部件的主动磁控制算法。在星箭分离初期,提出改进的B-dot速率阻尼方法使卫星姿态角速率快速减小,在卫星角速率较低时,设计了加低通滤波器的PD俯仰控制律,并设计了以地磁矢量B作为判断依据的滚动角、偏航角反馈的进动控制律及基于B-dot的章动控制律。数学仿真结果表明,所设计的主动磁控方法收敛、有效。该算法具有良好的工程应用前景,对于低成本微小卫星的研究是一个有益的探索。
     

微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法

针对传统皮纳卫星姿态控制系统中磁力矩器输出力矩小、姿态控制响应慢等问题,提出一种微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法,提高了控制精度,缩短了控制周期,并利用Lyapunov稳定性理论证明了算法的稳定性。首先建立微型固体推进器阵列优化点火模型,然后给出其补偿控制时间设置方法,并推导出大角速度阻尼控制律和辅助速度阻尼控制律,同时设计了基于混合系统模型的姿态捕获联合控制律,最后通过仿真验证了速度阻尼联合控制律和姿态捕获联合控制律的有效性。仿真结果表明,相较于传统的纯磁控方法,联合控制方法能够有效提高控制精度,大幅度缩短控制周期。     

避免敏感器及执行器饱和的特征轴机动控制

针对刚体卫星转速和控制力矩受限的情况,提出了避免敏感器及执行器饱和的大角度 特征轴机动控制律,并用李雅普诺夫稳定性理论证明其稳定性。控制律以修正罗德里格参数 表征姿态,采用特征轴机动作为拟最小时间机动策略,通过姿态误差的切换阈值将机动过程 分为两个阶段。给出了控制参数的整定方法和选择范围。最后进行了控制律算法的数值仿真 ,仿真结果表明控制律能够在卫星进行大角度姿态机动过程中有效地避免敏感器及执行器饱 和。
     

卫星机动过程成像的姿态规划与控制研究

对有星载相机的卫星机动过程成像的姿态规划与控制进行了研究。为避免目标姿态的任意性产生的控制转序问题,用四元数描述偏流角跟踪控制。从用户角度出发,提出了两种适于机动过程成像的姿态规划模式:一是指定星体相对轨道系摆扫角速度,通过设定摆扫方向与卫星飞行方向成任意角度,可实现任意方向摆扫成像,另一是指定成像点经纬度条带,可实现海岸线等地面目标成像。在摆扫规划姿态的基础上,将绕相机光轴转过经迭代计算的偏流角作为最终的姿态控制基准,给出了高动态姿态机动控制算法。引入陀螺角速度信息以提高滚动姿态机动过程中的动态特性;将星体当前姿态与目标姿态偏差四元数作为姿态控制基准以实现任意姿态最短路径机动;以飞轮作为姿态控制执行机构,设计PD控制律,在机动过程中对内干扰力矩进行前馈控制。仿真结果验证了所提算法的有效性和工程可操作性,可用于对地成像小卫星机动过程成像的姿态规划与控制。     

超低轨卫星气动参数及转动惯量在轨实时辨识

给出了超低轨卫星气动参数和转动惯量的在轨实时辨识方法。针对超低轨卫星所处的稀薄流环境,建立了镜面-漫反射模型稀薄流散射系数的傅里叶级数模型。根据卫星姿态动力学与运动学方程推导了傅里叶级数模型中各气动参数以及卫星转动惯量的线性观测模型。以采用气动主动控制方式的近地圆轨道纳星为仿真对象,用递推最小二乘法进行在轨实时辨识,辨识结果与设定值一致。方法对卫星在轨实时控制时需获取高精度的气动力矩和卫星真实转动惯量有重要的意义。     

基于磁悬浮动量轮微框架能力的卫星滚动—偏航姿态稳定控制研究

研究基于磁悬浮动量轮的微框架能力进行卫星的滚动-偏航姿态稳定控制问题。在考虑卫星 轨道角速度的条件下,建立了磁悬浮动量轮转子和卫星姿态动力学方程,设计了一种不使用 偏航姿态敏感器的卫星滚动-偏航姿态控制器。该控制器由内、外两个控制回路组成,其中 ：外环控制回路根据滚动姿态敏感器输出的卫星姿态角信息产生转子外框角-内框角的参考 值;内环控制回路控制转子外框角-内框角的稳定,并通过控制转子外框角-内框角跟随外环 回路给定的参考值变化实现动量轮转子角动量方向的变化,与卫星进行角动量交换。对所设 计的控制器进行了稳定性分析,通过仿真进一步验证了其有效性,在给定扰动和不使用偏航 敏感器的条件下,偏航角的精度和稳定度分别优于0.08°和0.0001°／s。
     

基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制

根据磁力矩在地磁场中的定向阻尼特性，提出了磁控重力梯度和有阻尼器的非重力梯度卫星姿态控制律。给出了卫星姿态运动方程，并证明采用两种方法控制卫星姿态的稳定性。根据地磁场强度变化规律选择控制系数。理论分析和仿真结果表明，基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制方法简单、精度较高。     

根据线性迭加理论实现微小卫星姿态磁控制

根据地磁力矩定向阻尼特性和线性迭加理论,提出仅用磁力矩器实现对地指向微小卫星三轴姿态稳定的控制律。推导了采用迭加补偿,并考虑附加磁矩影响时改进的卫星姿态动力学方程。理论分析和仿真结果表明,该控制律简单、姿态控制精度高。     

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。     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

应用变速控制力矩陀螺的卫星姿态机动的非线性控制

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的卫星多目标快速机动的控制问题。首先建立了带有多个变速控制力矩陀螺的航天器姿态动力学模型,采用修正的罗德里格斯参数(MRP)描述姿态运动。在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器。针对外部干扰会使控制力矩陀螺的框架角偏移其标称值的情况,采取磁补偿控制来保持框架角在一定范围变化。以采用VSCMG为执行机构的某卫星为例进行了数值仿真,仿真结果验证了提出的非线性姿态反馈控制器的有效性,采取的磁补偿控制也很好地抑制了变速控制力矩陀螺框架角的偏移。     

先进上面级变轨段姿态解耦控制研究

针对多星部署先进上面级变轨段三轴姿态严重耦合以及主发动机开机引起的较大干扰力矩问题,研究了基于反馈线性化的姿态解耦算法。通过给出上面级多星部署任务中的坐标系和姿态角定义,建立了欧拉角描述的姿态动力学与运动学方程。分析了推力矢量与姿控发动机的控制方案,描述了该方案中主发动机、伺服机构和姿控发动机的配置结构,推导了推力矢量控制中的主发动机摆角计算公式和主发动机工作时质心偏移引起的干扰力矩。基于反馈线性化理论,设计了上面级姿态解耦控制律。算例验证结果表明姿态角速率误差和姿态角误差能够快速趋于1°/s和0.5°。文中设计的姿态解耦控制算法具有良好的稳定性和可行性。     

基于四元数反馈线性化的飞行器姿态控制方法研究

空间飞行器姿态控制系统是一个非线性多输入多输出系统,其姿控执行机构的布局及工作特性决定了姿态控制的难易程度。针对飞行器以姿控发动机作为姿控执行机构时的大角度姿态运动需求,本文采用单位四元数作为弹体姿态描述,考虑到姿控发动机布局对姿态控制的影响,直接以姿控发动机推力作为系统的控制输入,利用反馈线性化方法,将原非线性系统转化为一个六阶线性子系统和一个一阶内动态子系统。在对内动态分析的基础上,针对线性子系统设计了四元数PD反馈控制律。在转动惯量不确定性以及轨控大干扰力矩存在的情况下,对闭环控制系统进行了大角度姿态运动数字仿真。仿真结果表明,本文所设计的姿控方法能够有效地实现飞行器大角度姿态控制,并对系统参数摄动及外部干扰具有较强的鲁棒性。     

大机动飞行情况下姿态控制系统的设计

本文针对目前战术导弹广泛使用捷联系统这个现状,以及对大机动飞行器采用姿态角误差反馈进行控制有时出现的奇异问题,提出并研究了基于四元数进行大机动战术导弹姿态控制系统的设计问题.首先,给出了大机动飞行情况下基于四元数描述的弹体动力学模型,然后,基于非线性控制系统综合方法设计了姿态控制系统,并验证了系统的稳定性.研究结果表明,基于四元数进行姿态控制系统的设计,既解决了姿态角表示法存在的奇异性问题,又可减少捷联计算机的计算量,对战术导弹具有重要实际意义.最后,通过数值仿真验证了本文提出方法的有效性.     

基于输出反馈的编队卫星姿态同步和跟踪控制

研究了卫星编队无角速度测量信息且采用局部信息交互时的姿态协同控制问题.以四元数为姿态描述手段,采用超前滤波方法重构星体绝对和相对角速度信息,设计了基于输出反馈的分散姿态同步和跟踪控制器.利用Barbalat引理和代数图论等对闭环系统的全局渐近稳定性进行了理论分析和证明.以六星编队为背景的数值仿真进一步验证了算法的有效性.     

FY-2C星控制分系统设计

介绍了风云二号(FY-2)气象卫星双自旋稳定控制分系统的组成、功能和技术指标,以及卫星起旋控制、章动角与摇摆角控制、敏感器设计和消旋子系统设计等关键技术.C星在轨运行情况表明,控制分系统工作正常、性能稳定,圆满完成了起旋、主动章动控制、测定姿、姿态机动、转速调整、定点捕获和天线消旋对地定向等任务,技术指标满足任务书要求.