大系统方法与卫星姿态动力学

本文是在Четаев理论和大系统理论的基础上[1,3],提出了一种解决非线性非定常力学系统稳定性的方法:“大系统加权V函数方法”。并应用该方法研究了自旋卫星(包括陀螺体卫星),挠性卫星以及空腔充液卫星的姿态稳定性问题[2]。可以看到,这个方法,对于分析约束阻尼系统,陀螺系统以及复杂的卫星系统等相当广泛的一类运动稳定性问题,是简明有效的。      

应用Lyapunov方法分析自旋导弹动态逆控制器鲁棒性

针对自旋导弹的强非线性特性,设计了二时间尺度分离非线性动态逆控制器.给出了带有气动系数不确定性的控制系统状态空间表达式,利用Lyapunov方法分析了控制器的鲁棒稳定性,并结合舵机性能限幅给出了使系统稳定的内回路时间常数完整边界.通过仿真给出了保证控制系统稳定的气动系数拉偏边界.结果表明:当气动系数向使弹体系统静稳定方向拉偏时,内回路时间常数可取范围较大,反之可取范围逐渐减小直至无法使系统稳定;当内、外回路时间常数比例增加时,控制器对气动系数不确定性的敏感度增加.与三回路控制器相比,动态逆控制器鲁棒性较差,但响应的稳定性较好.     

SERF原子自旋惯性测量检测误差分析及抑制

在无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置中，检测系统的性能是决定输出信号灵敏度和稳定性极限的关键因素。为有效抑制SERF原子自旋惯性测量的低频随机噪声，在横向电子自旋极化率稳态解和旋光角表达式的基础上，建立检测相关的输出信号误差机理模型，明确了检测系统影响最终测量信号噪声的主要因素。研究结果表明：检测光入射气室时的初始光强作为信号背景直接引起刻度系数的波动而非作用于电子自旋，而检测光的非理想线偏振导致电子自旋产生横向抽运效果和横向光频移作用，从而引入测量误差。针对检测系统影响测量信号噪声的主要参数，设计了参数优化路径：先通过优化检测光频率，提高惯性测量刻度系数，后通过检测光功率的优化，减小横向抽运效应、横向光频移作用及检测光背景波动。实验表明：通过对比输出信号的Allan方差，优化后SERF原子自旋惯性测量的零偏不稳定性减小了1.8倍，速率斜坡噪声系数从0.124 (°)/h²减小至0.041 (°)/h²，达到了抑制测量信号低频随机噪声的效果。     

原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究

原子自旋陀螺仪作为目前最新一类陀螺仪,具有超高的理论精度。碱金属气室是原子自旋陀螺仪承载原子自旋的敏感表头。通过电加热使碱金属达到饱和蒸气压,但是电加热过程中会引入电磁干扰等噪声,进而影响原子自旋陀螺仪的精度和灵敏度。为减小碱金属气室加热的电磁噪声对原子自旋陀螺仪的影响,从加热器结构与加热驱动信号2个方面进行了电磁噪声抑制实验研究。设计了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。通过实验验证,系统的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室内部的温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。      

重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律,建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型,推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解,对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析,并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下,当卫星绕最大主惯量轴自旋时,给出了自旋角速率取值范围表达式,在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动,自旋轴以恒定的平均角速率进动,章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。     

绳系微小卫星的旋转编队飞行

针对三星编队飞行问题,提出一种绳系控制方法,在自旋刚体卫星的平衡分析的基础上,建立了Thomson和Likins Pringle平衡构形的绳系三星编队模型,通过对编队系统的稳定性分析得到了两种构形下的稳定条件,并给出了三种控制策略用以解决Likins-Pringle构形不能满足平衡条件的问题。最后经过仿真验证了理论分析的正确性,并对三种控制策略进行了检验,结果表明Thomson构形无须辅助手段,在满足特定条件下可以稳定运行,Likins-Pringle构形采用弹簧系统和喷气辅助绳系控制时满足特定条件也可以稳定运行。     

自旋卫星测试转台精度分析

自旋卫星测试转台用于自旋卫星控制系统的标定试验,是系统地面测试设备中的核心组成部分,其精度直接影响到系统标定试验的精度．另一方面,过高的转台精度指标将带来研制成本的大幅度增加,但有时仅对系统标定试验精度带来很小的提高,因此有必要对转台指标进行论证．根据标定试验原理,对转台引起的标定误差进行了分析计算,认为现有的精度指标能够满足标定需求,转台精度指标是合理的．     

自旋卫星转速控制系统的多状态非单调关联故障树定性分析

<正> 一、概述朱毅麟同志在《用故障树法分析自旋卫星转速失控》一文中,讨论了自旋卫星转速无限制地增加导致卫星失败的故障,考虑了自旋卫星设切向发动机锁定机构和设反向减转发动机的保护措施。这是一项有意义的分析工作。鉴于自旋卫星转速控制系统具有多状态非单调关联系统的性质,而上文只作为两状态单     

一种基于连续星图观测的自旋姿态估计方法

传统的利用地球敏感器和太阳敏感器作为测量仪器的自旋卫星姿态确定方法存在系统误差和安装误差等,从而导致自旋姿态确定误差较大的问题,文章提出了一种利用星敏感器获取的连续星图估计卫星自旋姿态参数的新方法。该方法以卫星的自旋轴和旋转角速度作为状态变量,通过星敏感器连续跟踪拍摄的恒星的成像位置作为观测量,利用无迹卡尔曼滤波估计出卫星的自旋姿态参数。仿真结果表明,在星敏感器的精度为3″时,该方法的自旋轴估计精度为0.3448″,自旋角速度估计精度为10^-4(°)/s数量级。     

我国自旋稳定通信卫星四种发展方案的比较

以国外自旋稳定通信卫星发展的技术途径为背景,比较了在“东方红二号甲”卫星技术的基础上进一步发展中国自旋稳定通信卫星的不同技术方案;说明方案的选择主要取决于对今后继续发展自旋稳定通信卫星的战略考虑。     

考虑燃料晃动效应的航天器自适应滑模姿态控制

针对一类带有球形储液箱的航天器,在将其等效为单摆模型的基础上,分析了系统方程的特点,将系统的状态变量分为两部分,并考虑到在航天器机动过程中燃料消耗作用的影响,导致系统方程中的三个重要参数发生变化.基于以上原因,设计了一种自适应分层滑模控制器,采用李雅普诺夫函数法求取自适应控制律和总的控制量,保证闭环系统的稳定性.最后通过仿真验证这种控制器设计不仅可以使系统姿态在短期时间之内达到稳态,还同时抑制了液体晃动产生的影响.     

一类带液体晃动航天器的姿态控制

针对一类带液体晃动的航天器,在建立系统数学模型的基础上,利用一种分层滑模的设计方法来设计控制器．将系统状态变量分成可自行到达平衡位置和需要施加控制才能到达平衡位置两部分,对于需要施加控制达到预定平衡位置的状态变量,用分层滑模控制来设计控制律,将其分解成两个子系统,分别构造滑动平面,采用Lyapunov方法求取总控制量．当系统接近平衡位置时,双层滑模控制器退化成单层控制器,保证系统能够稳定在最终的平衡位置上．仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果．     

基于压电纤维复合材料的航天器动力学建模与振动抑制

压电纤维复合材料(MFC)在柔性航天器的振动主动抑制中具有很好的应用前景。利用哈密顿原理和压电驱动的载荷比拟方法,建立了带MFC压电驱动的离散形式的刚柔耦合动力学方程,采用线性二次型最优控制(LQR)算法进行主动控制。结果表明：在航天器的柔性体受到脉冲载荷激励条件下,使用MFC驱动器可以实现航天器挠性振动的快速抑制,并且同时保持中心刚体姿态的稳定性,即能够实现挠性振动与姿态运动的协同控制。基于MFC的主动控制方法对于高频响应也具有较好的控制效果。对于柔性占优的航天器,采用MFC的主动控制优于被动控制。本文方法在处理具有复杂柔性体的航天器时更具优势,更适合于工程应用。     

Adaptive sliding mode control of spacecraft attitude-orbit dynamics on SE(3)

In this paper, to solve the problem of parameters uncertainty in spacecraft tracking control, an adaptive controller based on sliding mode is proposed for the relative spacecraft attitude-orbit dynamics on the Lie group SE(3). The dynamic equations of relative attitude orbit error for two spacecraft are established in the framework of Lie group SE(3). Considering the uncertainty of spacecraft parameters, a formal decomposition of known and unknown parameters, the state variables and control variables is firstly made in the original system. An online estimator is designed to evaluate the unknown parameters. A sliding mode controller is developed to actuate the spacecraft to track the target spacecraft. Then a Lyapunov function of tracking error and parameters estimated error is designed to prove the stability of the closed-loop system. Finally, the simulation results and analysis are presented to verify the effectiveness and feasibility of the proposed method.     

一类带液体晃动的航天器滑模姿态控制器设计

针对一类带液体晃动的航天器,在建立系统数学模型的基础上,利用一种增量滑模的设计方法来设计控制器。将系统状态变量分成可自行到达平衡位置和需要施加控制才能到达平衡位置两部分,对于需要施加控制达到预定平衡位置的状态变量,用增量滑模控制来设计控制律,将其分解成两个子系统,选取一个子系统的状态变量构造第一层滑模面,然后将第一层滑模面看成一个状态变量与另外一个子系统的状态变量构造第二层滑模面,最后采用Lyapunov方法求取总控制量。当系统接近平衡位置时,增量滑模控制器可以在保证最后一级稳定的情况下实现整个系统各个状态的控制,在30s内可以保证系统能够稳定在最终的平衡位置上。仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果。     

航天器非奇异自适应终端滑模姿轨联合控制

为了实现航天器姿态与轨道的同步控制，提出了一种航天器姿态与轨道联合控制的非奇异自适应终端滑模控制律。首先，建立了航天器姿轨耦合运动的对偶四元数模型；其次，提出了一种姿轨联合跟踪控制的非奇异终端滑模控制律，并设计了自适应控制律以改善质量特性不确定性的影响，利用李雅普诺夫函数证明了所提控制律的稳定性；最后，绕飞小行星的跟踪控制仿真算例表明了控制律的有效性。结果表明:所提控制律具有较高的控制精度，能够在有限时间内收敛，仿真过程中不存在奇异点，抑制了质量特性的不确定性对控制的影响，且对滑模的抖振特性有抑制效果。      

附着小天体的动态面鲁棒制导与控制方法

以精确附着小天体表面的任务为背景,提出一种基于扰动观测器(DOB)和动态面控制的附着小天体的制导与控制方法。根据探测器的初始条件与终端着陆条件规划了标称轨迹,并将引力场建模误差、参数摄动和外部干扰等视为总扰动,结合动态面控制和DOB设计了标称轨迹跟踪控制器。分析总扰动估计误差的渐进收敛性以及闭环标称轨迹跟踪控制系统的稳定性,并确定控制器参数选取条件。数值仿真结果表明,所设计的DOB可以有效地估计并抑制总扰动且闭环标称轨迹跟踪控制系统具有良好的稳定性和控制精度。     

采用变速控制力矩陀螺的航天器姿态跟踪研究

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的航天器姿态跟踪问题.建立了以VSCMG为执行机构的航天器姿态动力学模型, 引入一阶稳定的线性角速度滤波方程, 同时, 根据Lyapunov稳定性定理, 设计了闭环系统的控制律. 利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入矢量. 提出了表征VSCMG构型的新奇异度量, 在其基础上利用梯度法构建了VSCMG的零运动, 以回避VSCMG的构型奇异, 并使转子转速趋于期望值. 以四陀螺金字塔构型为例进行仿真,仿真结果验证了该算法的可行性和有效性.      

Stability of relative equilibria of the full spacecraft dynamics around an asteroid with orbit–attitude coupling

The full dynamics of spacecraft around an asteroid, in which the spacecraft is considered as a rigid body and the gravitational orbit–attitude coupling is taken into account, is of great value and interest in the precise theories of the motion. The spectral stability of the classical relative equilibria of the full spacecraft dynamics around an asteroid is studied with the method of geometric mechanics. The stability conditions are given explicitly based on the characteristic equation of the linear system matrix. It is found that the linearized system decouples into two entirely independent subsystems, which correspond to the motions within and outside the equatorial plane of the asteroid respectively. The system parameters are divided into three groups that describe the traditional stationary orbit stability, the significance of the orbit–attitude coupling and the mass distribution of the spacecraft respectively. The spectral stability of the relative equilibria is investigated numerically with respect to the three groups of system parameters. The relations between the full spacecraft dynamics and the traditional spacecraft dynamics, as well as the effect of the orbit–attitude coupling, are assessed. We find that when the orbit–attitude coupling is strong, the mass distribution of the spacecraft dominates the stability of the relative equilibria; whereas when the orbit–attitude coupling is weak, both the mass distribution and the traditional stationary orbit stability have significant effects on the stability. We also give a criterion to determine whether the orbit–attitude coupling needs to be considered.