中继卫星正常模式星体和天线两级控制耦合动力学初步仿真

重点研究了中继卫星星体和天线两级控制之间的动力学耦合影响问题。首先建立了飞轮控制柔性卫星动力学模型,并通过模态分析和柔性动力学计算给出了各类动力学参数;然后重点对星体和天线两级控制系统进行了描述及其控制器设计,并针对同步轨道飞轮正常工作模式按单、双天线跟踪或回扫工况进行了耦合动力学仿真;最后根据仿真数据和曲线进行了结果分析,给出了初步结论。     

大型挠性卫星的工程建模方法

以跟踪与数据中继卫星 (TDRS)为背景 ,探讨了大型挠性卫星的工程建模方法。首先建立了基于混合坐标法的TDRS动力学模型 ,然后应用本文提出的基于结构参数优化的动力分析方法得到整星的动力特性参数。     

地月系平动点轨道动力学建模与控制策略研究

根据嫦娥四号探测器开展月球背面探测的中继通信需求,基于地月系平动点特性,建立考虑三体引力的高精度动力学模型,给出不同飞行阶段的轨道求解方法。在动力学模型和求解方法基础上,结合嫦娥四号"鹊桥"中继卫星的轨道设计,提出了最佳轨道方案和轨道控制策略。"鹊桥"卫星的飞行实践结果表明:动力学建模及轨道设计结果正确,满足中继任务需求,相关模型和方法可为未来平动点任务提供参考。     

非最小相位控制器的应用研究

提出了一种非最小相位控制器,讨论了其在中继卫星上的应用。首先建立了带有偏置动量控制的中继卫星本体动力学方程;然后重点分析了这种控制器的控制特性及其优、缺点;最后,进行了控制系统的仿真计算。     

基于实测数据的卫星公路运输动力学特性仿真分析方法

为解决卫星运输跑车试验耗时耗力的问题,采用仿真方法研究了卫星在公路运输过程中的动力学特性。先基于大量实测数据,建立仿真分析输入谱;再通过Patran/Nastran有限元软件建立包装箱–卫星的联合仿真模型,对经过组合体模态试验修正后的模型进行了模态分析和随机振动响应分析,得到了模型的前6阶模态振型以及关键部位的加速度和应力响应RMS值。结果表明:联合仿真模型各部位的应力RMS值远低于材料屈服极限,卫星结构具有足够的安全裕度。该仿真分析方法可以准确有效地分析卫星在运输过程中经受的力学环境,为卫星结构及包装箱设计提供依据。     

模态综合法在航天器动力学仿真中的精度分析

模态综合法可有效解决在传统航天器动力学仿真中出现的整器模型过大、各分系统模型难以对接的问题。为探究主模态截断对固定界面模态综合法精度的影响,文章以串联卫星模型为例,分别利用频率截断法、有效模态质量截断法和势能判据截断法对各子结构进行主模态截断,并对比截断后计算所得综合系统和整星有限元系统的模态特性和动力学响应特性,分析两者间误差大小。结论表明,在低阶频率范围内,频率截断法的截断效率高于其他两种方法,而势能判据截断法的理论依据充足,在高阶频率范围也有很高精度。在实际工程应用中,可根据文章的分析结果,结合具体需求选择合适的主模态截断方法进行模态综合。     

带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型研究

对带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型建立进行了研究。用混合坐标法建立带挠性附件的卫星的动力学方程,对挠性体的高阶模态作截断处理以简化模型。用小角度近似获得了以姿态角表示的刚体卫星线性化姿态动力学方程,给出了卫星姿态动力学方程状态空间方程,将卫星的挠性附件振动耦合作用作为一种外部干扰力矩叠加到线性方程中,建立了完整的带挠性附件三轴卫星姿态动力学方程的状态空间模型。以某带单翼太阳电池板的卫星作为算例,设计了基于状态空间模型的控制器,结果表明基于状态空间模型设计的高阶线性控制器能对具非线性时变特性的卫星进行有效控制,对帆板等挠性附件的振动有主动抑制功能。     

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。     

中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型及算法研究

中继卫星多址链路调度问题是中继卫星系统应用中必须解决的重要问题,其重要特点在于,中继卫星与用户航天器之间并非时时可见,因此通信任务存在可见时间窗口约束。只有在可见时间窗口内,通信任务才可能执行并完成。在进行合理假设的基础上,采用人工智能中的约束规划技术,建立中继卫星多址链路调度问题的约束规划模型,并提出了基于时间窗口期望值的多步迭代算法。应用结果表明,中继卫星多址链路调度模型的建立与求解是合理的。     

卫星动力学虚拟试验的几个关键技术

文章阐述了卫星动力学虚拟试验的必要性,并就SEA模型修正技术、振动台激励下卫星的建模技术和模态综合技术做理论上的分析,为虚拟试验研究提供理论依据.     

在轨跟踪与数据中继卫星测控关键技术(上)

根据卫星轨道根数，研究了跟踪与数据中继卫星（TDRS）对用户星的精确跟踪规律，并据此分析了TDRS对卫星平台姿态和天线运动范围的要求。介绍了TDRS测控中的关键技术，如螺旋扫描算法在TDRS搜索用户星时的应用、TDRS对近地卫星的覆盖率、TDRS跟踪多用户星的资源分配准则、星蚀和日凌计算，以及轨道位置保持控制策略等。相关控制策略的正确性已在我国地球同步轨道卫星的在轨测控应用中得到了证实，可用于未来TDRS的工程测控和业务应用。     

一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

含多间隙柔性可展帆板动力学建模及仿真

为研究柔性和多级铰链间隙对帆板展开过程动力学特性的影响，以月球车两级往复可展太阳帆板为研究对象，采用修正Coulomb模型表述摩擦力，通过接触碰撞力描述间隙，运用有限元法进行帆板柔性化，进而建立多间隙-柔性耦合的动力学模型。采用变步长伦哥库塔法进行数值求解，模拟帆板展开过程，分析了多间隙和柔性对帆板质心加速度、铰链间隙碰撞力等参数的影响。结果表明，在保证展开机构刚度要求的前提下，帆板柔性可补偿因铰间隙引起的加速度波动，减弱间隙处碰撞的剧烈程度，减小碰撞力幅值，进而改善帆板展开机构的动态特性。研究结果可用于指导月球车两级往复可展太阳帆板等同类型的可展机构动态优化设计。     

柔性机构变形动态响应可靠性分析方法

柔性机构中柔性构什变形的动态响应为高度非线性。为了进行柔性机构的动态可靠性分析，提出了柔性机构变形动态响臆可靠性分析理论，按照多柔体系统动力学方法建立了柔性机构动态可靠性分析模型，提出了变形动态响应可靠度计算方法。利用蒙特卡罗随机模拟方法抽取少量随机变量样本数据，计算构件变形动态响应随机过程的时间截口分布特性，结合人工神经网络方法进行构件变形动态响应的随机过程分析，得到整个运动时域内变形的随机过程分布规律。通过柔件机构实例进行变形动态响应可靠度计算，结果表明该方法对柔性机构设计和分析具有理论方法指导意义。     

中心刚体-柔性悬臂梁系统的位置主动控制

以往对中心刚体-柔性悬臂梁系统的主动控制研究多是基于零次近似模型和线性化模型进行的，而且认为零次近似模型为足够精确动力模型，但是已有研究结果显示出，零次近似模型在对系统动力学行为进行描述时存在某些局限性。本文采用一次近似模型对中心刚体-柔性悬臂梁系统的位置主动控制进行研究，其中控制律采用最优跟踪控制理论进行设计。仿真结果显示，传统的零次近似模型存在着失效的可能，最优跟踪控制方法能使中心刚体-柔性悬臂梁系统到达期望的指定位置，并可使系统的残余振动得到抑制。     

卫星大型旋转载荷动平衡控制应用研究

卫星携带的转动体的动不平衡对星体产生非期望的干扰力矩,进而影响卫星姿态,为此在卫星高品质运动控制中必须对转动体的动平衡特性进行控制。本文在建立卫星多挠性体姿态动力学模型的同时,分析了动平衡检测在转动体残余干扰力矩分析中的应用,提出了大型旋转载荷动平衡控制方法和流程,最后通过实际工程应用情况,验证了该动平衡控制方法和流程的实用性和有效性。     

航天器薄壳柔性附件展开耦合行为特性研究

为研究大范围运动柔性附件几何非线性和耦合效应与中心刚体的精确动力学行为,以薄壳结构柔性附件为研究对象,引入非线性应变和位移关系,利用虚功原理推导了做大范围运动带柔性附件航天机构的完整非线性动力学模型,所构建的模型包含了非线性几何变形及附加非线性项。针对线性和非线性模型,相应开展了大范围运动航天机构刚柔耦合数值分析。结果表明,随着转速增大,线性与非线性模型动力学特性产生根本差异,指出线性模型忽略了非线性耦合项的不足,而非线性模型可精确地预测大范围运动带柔性附件航天机构动力学行为。结论对航天机构定向和跟踪操作的动力学与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

柔性臂约束/非约束模态降维模型精度分析

针对柔性机械臂约束、非约束模态降维的动力学绝对误差问题,可采用有限元法描述柔性变形,并应用拉格朗日法建立其动力学模型,分别利用约束和非约束模态进行降维,来比对两种降维方法的绝对精度。仿真结果表明:约束、非约束模态降维模型都具有较高的动力学精度,取相同阶数的非约束模态动力学精度更高,而约束模态的误差具有随时间累积的特点。     

Decentralized vibration control of a multi-link flexible robotic manipulator using smart piezoelectric transducers

The work in this paper is aimed to investigate the use of a decentralized control system for suppressing vibration of a multi-link flexible robotic manipulator using embedded smart piezoelectric transducers. To achieve this, a non-linear dynamic model of a flexible robotic manipulator with smart piezoelectric actuators/sensors, is developed based on the co-rotational finite element method. The method incorporates multiple co-ordinate (co-rotational) systems which rotate and translate with each element, so that the geometric non-linearity present in rotating manipulator system can be dealt with efficiently. The placement of piezoelectric actuators and sensors over the flexible links are considered for the application of decentralized control system. A numerical study shows that the developed co-rotational finite element method can be utilized to investigate the piezoelectric actuator/sensor placement and vibration control performances for a multi-link flexible manipulator undertaking complicated motion.