重力梯度稳定卫星的全自主姿态捕获

一引言有一类卫星姿态控制采用重力梯度稳定.这是因为重力梯度稳定不消耗能量,系统简单,经济,可靠性高,研制周期短,适合长寿命飞行任务.但是,实现重力梯度稳定首先要解决一个关键技术问题——姿态捕获. 过去一般是通过地面站采用被动捕获,例如磁捕获,但是这种方法捕获时间长达十几天,同时要求有较多的地面站进行配合.为此,本文提出一种简易的星上自主捕获方法.它是由红外地平仪(安装在转角机构上并可以程序转弯90°)、控制电路、时钟和喷气执行机构等部     

小卫星的重力梯度控制方法

本文首先论述重力梯度卫星三种控制方式（重力梯度，重力梯度＋飞轮，重力梯度＋磁控＋飞轮），其次研究重力杆和天平动阻尼球结构设计与参数分析。最后建立重力梯度卫星数学模型和进行仿真实验。对小卫星来说，重力梯度既能满足性能要求又是廉价的一种姿态控制方法。     

下一代高精度卫星重力测量技术研究

以下一代高精度卫星重力测量为背景,针对低低卫卫跟踪模式与卫星重力梯度测量模式,论述了下一代低低卫卫跟踪和下一代重力梯度测量卫星方案。下一代低低卫卫跟踪重力卫星采用纳米级星间激光测距替代原微波测距,同时降低轨道高度以提高重力场敏感度。下一代重力梯度测量卫星采用原子干涉重力梯度仪替代静电重力梯度仪,原子干涉重力梯度仪在空间有超高的潜在灵敏度,可进一步提高卫星重力梯度测量的精度。同时,突破现有牛顿力学框架下的卫星重力测量技术,提出了基于广义相对论引力钟慢效应的卫星重力测量技术概念,卫星遍历地球周围空间时,通过测量星上时钟频率变化获取全球重力分布。仿真结果表明:三种新型高精度卫星重力测量技术可恢复200~305阶的全球重力场模型。     

哑铃式重力梯度稳定卫星

本文讨论哑铃式重力梯度卫星的动力学,系统方案,系统设计中的若干问题。并且研究系统组成,功能和主要参数选择。最后,给出数学仿真结果。     

一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨展开试验

文章对中国“新技术验证一号”卫星搭载的一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨试验情况进行了介绍。重力梯度杆在小卫星控制领域中具有较好的应用前景,而充气结构具有轻质、占用空间小、发射成本低的特点,采用充气式重力梯度杆可避免传统机械式重力梯度杆质量重、尺寸大和机构复杂的缺点,它以充气伸展臂为主要结构形式,通过充气展开伸直成为重力梯度杆,既作为卫星重力梯度杆又通过在轨试验验证空间充气展开结构的性能。在轨试验结果表明充气式重力梯度杆展开稳定、有序、性能可靠,可以满足小卫星的性能和功能要求。该试验也是中国首个成功的充气展开结构在轨技术验证试验,标志着中国的充气展开结构技术初步具备了工程化能力。     

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。     

现代小卫星的重力梯度姿态稳定系统

本文首先论述现代小卫星重力梯度稳定系统组成，其次建立数学模型，最后进行计算机仿真，研究初始姿态角速度、惯量比、飞轮角动量和伸杆时间等因素对姿态动态特性的影响。     

重力梯度仪mK级温度稳定度控制设计及验证

针对某卫星有效载荷之重力梯度仪提出的温度稳定度优于±10 mK/200 s的超高指标要求,提出了构建部件级阻容滤波网络、进行系统级隔热强化设计、高精度多级主动测控温设计以及电缆漏热控制的热控方案。热仿真分析和热平衡试验结果表明,梯度仪组件的温度稳定度优于±8 mK/200 s,满足设计指标要求,验证了该热控设计方法的可行性及有效性,可为其他有高精度高稳定度控温需求的航天器部件热控设计提供参考。     

基于重力梯度杆和磁铁的小卫星三轴姿态控制

运用卫星低轨道两个主要环境力矩（重力梯度矩和地磁力矩）对圆轨道卫星三轴姿态进行被动控制。利用重力梯度矩实现卫星对地指向：卫星上的永久磁铁获取所需的地磁力矩,稳定偏航姿态。给出卫星的姿态分析,并给出仿真结果。从分析和仿真结果可以看出,此卫星具有结构简单、时刻对地定向、低轨道倾角时卫星姿态稳定精度较高的优点。     

空间飞网捕获机器人系统时变惯量姿态动力学研究

空间飞网捕获机器人系统提供了一种新的以柔性飞网为作业方式的在轨捕获模式,其捕获过程当中系统姿态动力学与普通航天器相比有较大的不同,主要表现在飞网抛射及捕获过程中系统质量特性不断发生变化,使得该系统姿态动力学呈现出丰富的特性.详细研究了飞网捕获机器人捕获前后二维轨道平面内的姿态动力学模型,在考虑重力梯度力矩的情况下建立了飞网抛射及捕获过程当中系统的惯量时变姿态动力学模型,并根据不同的初始条件完成了数值仿真.仿真结果说明在飞网抛射及目标捕获过程中系统会发生明显的面内天平动.该文的研究结果为后继飞网捕获过程当中的姿态协调控制及射网路径规划的研究提供了理论支撑.     

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。     

布哈什卡拉(Bhaskara)卫星采用磁偏置控制

轨道退行(orbit regression)会使卫星自旋轴偏离轨道法线。扰动力矩,例如气动力矩,重力梯度力矩,太阳辐射压力力矩和磁力矩,也能引起自旋轴的漂移。印度地球观测实验卫星Bhaskara是近地圆轨道自旋稳定卫星,其自旋轴沿轨道法线定向,采用冷气推进系统来控制其自旋轴的定向和自旋速率。对于该卫星而言,每一自旋周期内重力梯度力矩平均为零。气动力矩是个以轨道频率旋转的矢量,故净漂移很小,在设计阶     

我国TDRS天线捕获跟踪指向系统设计中的几个问题

跟踪与数据中继卫星系统（ＴＤＲＳＳ）星间链路中最重要的一个问题是ＴＤＲＳ星上天线捕获跟踪指向系统的开发研究。本文在文献「２」「３」「４」的基础上，提出了中国实验跟踪与数据中继卫星（ＣＴＤＲＳ）天线捕获跟踪系统设计中的几个问题进行分析。     

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°。     

卫星应急模式姿态动力学仿真

对卫星在应急模式下进行姿态动力学数值仿真。考虑重力梯度和太阳光压,太阳帆板两面反射率的不同,以及存在阴影区情况,建立开环状态下精确的卫星姿态动力学方程。通过对某型号卫星四十种故障模式的数值仿真,发现其姿态在相当长的时间内不会发散失稳;重力梯度力矩和太阳光压力矩都是微量,在相当长的时间内对姿态变化起主要作用是飞轮卡死时卫星的姿态角和角速度;制动飞轮的卡死时间对对卫星姿态有显著影响,卡死时间越短,卫星姿态变化越明显。     

微重力环境中重力梯度加速度引起的流体晃动力和力矩的模拟

本文研究了关于旋转轴在贮箱的非对称轴上且远离贮箱的几何中心情况下，流体在微重力环境中由重力梯度加速度诱发的晃动特性。我们以精密Ｘ光光谱天文物理实验卫星（简称ＡＸＡＦ－Ｓ）作为研究对象，获得了由于旋转运动引起的重力梯度加速度的数学表达式。关于晃动问题的数值计算是用与卫星固连的非惯性坐标系为基础，目的是寻求一种较为易处理且适合于流体力学方程的边界和初始条件。通过数值计算获得了流体作用于卫星贮箱上的力和力矩。     

一种高精度中继卫星捕获跟踪外场无线试验方法

为了验证中继卫星捕获跟踪系统设计,充分考虑地面环境和在轨应用的差异,提出基于近似远场条件下的中继卫星捕获跟踪技术验证方案。利用中继卫星设备、用户航天器模拟设备、高精度二维轨道模拟设备、光学指向设备、天线重力卸载设备以及地面测试设备等组成的验证系统进行捕获跟踪试验,给出了静目标和动目标捕获跟踪试验结果,并与仿真跟踪过程进行了比对。试验结果和仿真结果一致,验证了文章提出的中继卫星捕获跟踪技术验证方法的有效性,进而验证了捕获跟踪技术方案、单脉冲角跟踪体制、跟踪策略等,为中继卫星在轨可靠工作提供技术支撑。     

微重力环境中重力梯度加速度引起的流体晃动运动

本文研究了关于旋转轴在贮箱的非对称轴上且远离贮箱的几何中心情况下，流体在微重力环境中由重力梯度加速度诱发的晃动特性，建立了问题的数学模型并对模型进行了数值模拟。以高级Ｘ射线天文物理实验卫星（简称ＡＸＡＦ─Ｓ）作为研究对象，获得了由旋转运动引起的重力梯度加速度的数学表达式。晃动问题的数值计算以与卫星固连的非惯性坐标系为基础，目的是寻求一种较为易处理且适合于流体力学方程的边界和初始条件。通过数值计算获得了流体作用于卫星贮箱上的力和力矩。     

高动态下SINS辅助北斗捕获方法优化

针对高动态环境下北斗卫星信号不易快速捕获和捕获精度低的问题,在传统快速傅里叶变换并行码相位捕获算法的基础上,提出一种基于细化快速傅里叶变换(Zoom-FFT)的捷联惯性导航系统(SINS)辅助北斗B1信号捕获的算法,并设计高动态信源进行仿真校验。仿真结果表明,该方法的冷启动时间比无辅助缩短了50%以上,温启动捕获时间仅为无辅助的2%左右,并且使系统捕获的灵敏性得到了改善;同时使捕获的载波频率估计分辨率提高50倍以上,误差在10Hz以内。优化算法可以使高动态环境下的SINS/北斗深组合导航系统具有较快的卫星信号捕获速度和较窄的载波频率捕获带,并且提高了系统捕获的性能。     

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°。