一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术研究

在有较复杂外干扰力矩条件下,对一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术进行了研究。建立了零动量卫星的三轴姿态动力学模型,分析了环境外干扰力矩对滚动-俯仰-偏航姿态的影响,设计了补偿方案:用低通滤波器的角动量正反馈对外力矩进行补偿,导出了控制器补偿项的数学表达式;引入磁卸载+磁前馈分别消除飞轮饱和及削弱磁力矩干扰的影响,给出了滚动-偏航、俯仰通道的控制模型和数学表达式。仿真结果表明:采用该方法三轴姿态角控制精度高,飞轮转速被限制在一定范围内,有效削弱外干扰力矩对星体姿态控制的影响,提高了卫星的姿态控制精度。     

卫星磁性仿真模型建立

卫星的磁性仿真主要包括卫星的磁矩仿真计算和卫星周围磁场的仿真计算.这两种仿真计算都是利用卫星部件的实际测量结果对卫星整星的磁矩及周围磁场进行预估.这些预估结果对于卫星整星的磁性设计、磁性测量、磁补偿起到指导作用,对于卫星的磁性控制有重要意义.     

OGO和ERS卫星的磁试验

这篇文章描述了在位于 Malibu 的 TRW Malibu 磁试验设备中完成的 OGO 和 ERS 卫星磁特性的试验结果和使用的试验方法。最关心的卫星磁特性是在星载磁探测器位置处的卫星磁场,包括永磁场和感磁场。同时还关心星的"硬"磁场,即永磁场的大小和可以被一般磁化环境引起变化的"软"磁场的大小。一般磁化环境是指卫星在发射进入轨道前,会遇到的磁化环境。另外关心的磁特性是卫星磁场的分布图和位于卫星中心的偶极子矩和高阶的多极子矩,其中包括永磁矩和感磁矩。Malibu 试验室由安装在地下室6.4m 的三轴 Fanselau—Braunbeck 线圈系统和一些试验楼组成。转台位于其中的一座试验楼里,在这座试验楼里给卫星做没有线圈的磁试验。例如,OGO 卫星太大了,不能放入 Fanselau—Braunbeck 线圈系统中,因此就在此试验楼里进行试验。有线圈和没有线圈的试验方法是将卫星相对于固定的三轴磁通门探测器进行两轴旋转。旋转周期要比能觉察到的环境地磁场的变化周期短。可用一个远距离的探测器对地磁场的变化进行补偿,来满足上述的要求。磁通门探测器的输出由多通道 Sanborn 记录仪和 X—Y绘图仪记录,X—Y绘图仪可以立即按比例绘制旋转平面的磁矩大小,还可以给出在卫星座标系中的磁矩方向。卫星再绕另一相互垂直正交轴旋转,记录其数据。从这些数据中可以得到的总的磁矩矢量。ERS 卫星是一个280mm 的八面体,所以很容易将其放入 Fanselau—Braun-beck 线圈系统。在线圈系统中能够分别测量卫星场永磁分量和感磁分量。     

高精度遥感卫星力矩补偿技术

基于建立的卫星姿态动力学模型,对高精度遥感卫星有效载荷工作时载荷运动产生的干扰力矩及其对卫星姿态的影响进行了研究。提出了反馈控制＋力矩补偿的方法,给出了力矩补偿的设计。仿真结果表明：在补偿时延小、补偿精度高条件下利用补偿轮进行力矩补偿,可提高卫星的姿态稳定度,使其满足卫星成像时的姿态控制指标要求。     

磁力矩器在磁洁净卫星平台中的应用技术研究

针对磁力矩器给磁洁净卫星平台带来较大磁场干扰的问题,提出磁力矩器在轨磁场干扰的评估和控制方法。按照磁力矩器产生的工作磁场、感应磁场和剩磁场的大小及特性,通过各类测试与分析研究,提出磁场干扰的控制措施,并总结出在磁洁净卫星平台的最优应用方案。结果表明磁力矩器产生的磁场干扰得到了有效控制,为工程使用解决了磁场干扰关键技术问题。     

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。     

在地磁场中做卫星磁测量的几个问题

卫星地面磁测量是卫星环境试验的一个重要组成部分,精确的磁测量必须磁场或可控磁场中做。在没有大型磁设备的情况下,提出在地磁场中做磁测量题。本文分析了在地磁场中做磁测量的特点和影响测量精度的因素,指出了在场中做磁测量的应用范围,测量方法及在测量中应注意的问题,给出了在地磁做磁矩测量的几个试验测量结果。     

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。     

中低轨道卫星的磁补偿

卫星剩磁矩的减小对于提高卫星的姿态精度有非常重要的意义。减小卫星剩磁矩的一种重要方法是卫星的磁补偿。本文详细的讨论了卫星磁补偿的机制及磁补偿的方法,并介绍了一次磁试验所给出的试验结果。     

带大惯量运动部件卫星姿态高精度复合控制研究

对有大惯量运动部件的三轴稳定卫星在稳态运行期间高精度高稳定度控制方法进行了研究。提出了一种卫星姿态高精度动态补偿控制算法:先基于卫星姿态动力学模型与卫星有效载荷运动部件摆动规律,设计了姿态稳定反馈控制律和补偿摆动部件干扰力矩的前馈控制器,用前馈-反馈控制的复合控制算法,消除运动部件摆动对卫星姿态控制系统产生干扰力矩的负面影响;再用干扰观测器修正因通信延迟造成的补偿残余力矩,设计了扰动观测器对前馈补偿残余力矩进行辨识,进一步补偿修正残余力矩,以保证控制系统的性能指标。仿真结果表明:该法能有效补偿干扰力矩并提高控制精度,实现的卫星姿态控制精度优于0.005°。     

用地球磁场和重力场成功挽救风云一号（B）卫星的控制技术

风云一号气象卫星是我国最早成功发射的太阳同步三轴稳定对地遥感卫星，由于早期的技术和器件原因，星上计算机因空间辐照而失控，造成星上贮气耗尽、卫星高速翻滚。本文详细介绍了了在卫星面临失败的情况下，作者利用地球磁场和重力场与卫星的相互作用，采用星上的磁力矩器和可用的一切手段而设计的一整套抢救这颗卫星的技术方法，并简述了经过75天的艰苦努力，使这颗濒临失败的卫星重新建立三轴稳定的对地定向姿态的历程。     

航天器空间碎片被动防护技术

文章介绍了航天器磁力矩器在低轨道等离子体环境中的一些效应。以某型号卫星为例,计算了某型号磁力矩器产生的磁场,分析了等离子体在磁力矩器产生的磁场中的运动状态。经过建模计算,磁力矩器周围等离子体中的电子将在磁力矩器两端往复运动,而距离磁力矩器较远的电子将聚集在磁力矩器的两端附近。     

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。     

卫星磁力矩器磁场效应仿真分析

磁力矩器是卫星上磁性较大的部件之一,局部的强磁场是影响卫星周围带电粒子分布的主要原因。为了定量分析磁力矩器与等离子体相互作用,文章基于磁场与运动粒子的耦合模型,利用有限元数值分析软件仿真了典型轨道航天器上磁力矩器工作时周围带电粒子入射轨迹变化及电荷(粒子数)分布。结果表明,受磁场作用,带电粒子在接近磁力矩器本体时会发生偏转,且偏转幅度随电子能量降低而增大;由磁场引起的这种偏转效应导致带电粒子不均匀入射到卫星内。     

重力测量卫星KBR系统相位中心在轨标定算法

针对低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统相位中心在轨标定问题,提出了一种应用预测卡尔曼滤波算法的KBR系统在轨标定算法。首先,以磁力矩器和姿态控制喷气发动机为执行部件,对一颗卫星施加一定的组合力矩,使其绕另一颗卫星进行周期性姿态机动;然后,将星敏感器数据代入预测卡尔曼滤波算法中估计出卫星姿态;最后,根据KBR系统观测值与卫星姿态角之间的关系,利用扩展卡尔曼滤波算法估计出KBR系统相位中心的位置。数值仿真结果表明:KBR系统相位中心可以被实时估计,当存在较大的卫星姿态动力学模型误差时,KBR系统相位中心的标定误差仍在0.3mrad以内,证明此算法估计精度较高且鲁棒性强。     

地磁环境下卫星磁试验中的外干扰磁场控制补偿方法

针对地磁环境下外干扰磁场影响卫星磁试验精度问题,综合分析外干扰源场和卫星近场特性;通过合理布局(包括位置和方式)外干扰磁场监测传感器和卫星磁场采集传感器,增设动态磁场采集的A/D取样扫描频率循环控制、信号统计、滤波、数据拟合等信号处理功能,解决了监测传感器和采集传感器所得到的干扰信号的同步性、等效性、一致性,以及采集传感器信号中卫星真实磁场与干扰磁场之间的不相干性;实现了卫星磁试验的外干扰磁场有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正。通过24 h实时监测,外干扰磁场波动控制在0.5~1.0 n T范围内,获得地磁环境下卫星24 h"准零磁"环境磁试验条件,满足卫星磁试验对磁环境的技术要求。     

采用观测器的偏置动量小卫星姿态容错控制

针对偏置动量小卫星的自主飞行问题,提出一种基于不确定项观测器的滑模容错控制方法。应用欧拉-拉格朗日系统的干扰观测方法设计不确定项观测器,对动量轮输出力矩变小、磁力矩器线圈电阻漂移等执行器故障以及小卫星外部环境力矩等不确定项进行估计,理论推导证明该观测器的观测误差一致最终有界(UUB)。基于不确定项观测器的估计值,设计补偿控制项,并与滑模控制器的控制力矩合成实现姿态容错控制。从理论上证明该容错控制方法能够使小卫星姿态快速收敛至滑模面。该容错方法无需做小角度假设,对执行器运行状态信息依赖性低。仿真结果表明,本文建议的容错控制方法具备可行性,实现了对小卫星姿控系统中不确定项的观测估计和容错控制。     

某型号卫星内部磁场分析计算

文章对某型号卫星的磁力矩器在星体内部产生的磁场进行了逐点计算,并提供了大量卫星内部磁场分布图。计算结果表明,卫星内部一些关键磁敏感部件,例如铷钟、行波管等处磁场值较大,尤其是铷钟位置影响更大一些。文中对计算结果进行分析,并给出建议。     

卫星强磁场干扰分析

文章对IGSO/MEO卫星采用的400A·m~2的磁力矩器周围的磁场分布进行了计算分析,计算表明距400A·m~2磁力矩器头部10cm处,磁场达到6．9×10~(-3)T。同时对部组件在磁场较强的环境中可能受到的影响进行了理论分析,并利用螺线管产生的磁场对星用DC/DC模块进行了测试。测试表明,部件的磁性变化只与其所处磁场环境有关,而与时间无关。同时,变化的磁场会对部件的内阻产生一定的影响,引起输入电流的变化,该变化会对部件的寿命带来一定的影响。     

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。