多体卫星地面物理仿真的一致性研究

三轴气浮台不能直接用于多体卫星的地面物理仿真实验,这是由于部件转动引起台体 的质心变化,进而产生重力静不平衡力矩,使仿真过程无法进行,因此需要质心补偿系统对 气浮台的重力静不平衡力矩进行补偿。本文通过对多体卫星动力学和气浮台动力学的比较, 分析了在重力场中的地面物理仿真系统与真实卫星的动力学特性的不同点,给出地面物理仿 真系统能完全模拟真实卫星运动的一致性条件,并进行了数学仿真。当转动附件的质心在转 动轴或转动中心上时,气浮台系统可以完全模拟卫星系统的质量特性和力学耦合特性,否则 ,多体气浮台系统和多体卫星系统的动力学耦合特性不完全一致,需要采取一定的方法进行 补偿。
     

交会对接航天器推力分配算法研究

如何将期望控制指令动态地分配到冗余配置的推力器系统成为航天器控制算法设计的关键问题之一.针对推力器冗余配置的航天器控制分配问题进行初步探索性研究,提出了一种基于控制分配技术的推力动态分配新方法.首先建立推力分配问题的数学模型,并运用伪逆与线性规划相结合的二次分步优化方法对问题进行求解,且将其应用于以推力器为执行机构的交会航天器轨道与姿态一体化控制问题研究.最后对算法进行开环仿真验证,并采用微小卫星物理仿真平台(MicroSim平台)的推力器配置方案进行交会对接最后接近段的六自由度闭环数学仿真验证.仿真结果表明:所提算法在燃料消耗上优于传统的轨道与姿态单独控制模式.     

卫星虚拟振动试验系统研究

卫星虚拟振动试验可以预示试验结果,为试验设计提供参考。文章首先对振动试验系统进行分析,根据试验设备的不同和信号数据的传输规律,将系统分为5个分系统;研究各系统的特性,确定其在虚拟试验系统中的仿真方法;然后重点阐释台体系统和振动控制系统的计算机仿真方法;最后将虚拟振动试验结果与实际振动试验结果进行对比分析,结果显示两者基本一致。     

网络化飞行器执行机构故障自适应容错控制

针对存在随机短时延和外部干扰的网络化飞行器执行机构故障问题,提出了一种自适应容错控制方法。首先利用扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)对系统不确定性进行估计,并构建了自抗扰控制器对不确定性进行补偿。在此基础上,设计了一种基于跟踪误差的自适应容错控制方法。当执行机构发生未知故障后执行机构指令能自适应逼近设计值,使得重构的控制系统精确跟踪参考模型。最后利用Lyapunov函数方法证明了闭环控制系统的有界稳定。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

采用混合执行机构的卫星快速机动技术研究

研究了一种采用混合执行机构的姿态单轴快速机动的控制方法.设计了由平行构型单框架控制力矩陀螺(SGCMG)和飞轮组成的混合执行机构配置方案.综合姿态机动规划,设计了前馈和反馈相结合的姿态机动控制律,并通过执行机构动力学分析给出了操纵律.仿真结果表明:采用平行构型SGCMGs和飞轮的混合执行机构模式,可实现姿态三轴高精度稳定控制和侧摆快速机动的任务要求.     

卫星姿控仿真系统中的力矩传感器

在卫星姿态控制半物理仿真系统中 ,执行机构飞轮的输出力矩多采用通过对飞轮转速度化的计算来获得。本文提出一种基于力反馈原理的力矩传感器 ,用它对飞轮输出力矩测量 ,其性能指标明显优于上述方法。从有关实验结果看 ,一个精度高于 0 0 0 0 5N·M的力矩传感器是完全可以实现的     

卫星挠性太阳阵模态在轨激励仿真分析

对卫星挠性太阳阵附件模态在轨激励仿真分析进行了研究.用星上控制执行机构激发卫星各阶模态.将旋转附件和挠性附件统一视作挠性旋转附件,对整星刚柔耦合动力学进行建模.仿真结果表明,执行机构周期性作用可激发出太阳电池阵的各阶模态,与有限元计算结果基本一致.     

三轴气浮平台常值干扰力矩的分析与补偿

建立了三轴气浮平台的动力学模型,提出了动力学反演和基于复摆模型的惯性坐标系下常值干扰力矩的计算方法,对matlab仿真结果的计算验证了方法的正确性.使用fluent对气浮球轴承建模计算,得到了球轴承座倾斜角度和由此产生的倾斜力矩的关系.从调平衡角度提出了引入倾斜力矩来补偿台体运动过程中惯性坐标系下常值干扰力矩的方法.实验结果表明方法正确有效.     

受控航天器的通用仿真框架

为满足航天器姿态控制系统仿真的需要 ,利用面向对象建模方法 ,设计了受控航天器的通用仿真框架。在该框架中 ,航天器、姿态表示、控制律、执行机构作为独立的对象建模 ,可以支持不同仿真背景、不同粒度下的仿真要求。利用该框架建立的飞船姿态控制系统仿真模型 ,验证了该框架的有效性     

卫星多轴指向姿态控制全物理仿真实验研究

具有大型天线和大面积太阳帆板的多体卫星多轴指向控制技术是航天器控制的关键技术之一,针对这一问题,设计了“前馈+变结构”方案控制卫星本体,天线指向控制根据任务要求结合本体姿态产生,形成本体与天线多轴指向控制方案。基于常用的“飞轮—喷气”执行机构模式,考虑了控制精度和喷气消耗量问题。利用带有大型挠性板与程控天线系统的单轴气浮台物理仿真实验系统,成功地进行了卫星多轴指向控制物理仿真实验,本体姿态控制精度达到0.020,天线指向精度达到0.50。该研究对多轴指向卫星控制系统设计具有实际参考价值。     

基于FCMAC的空间零重力环境 地面模拟装置控制

文章提出了一种新型的空间零重力地面模拟系统,该系统采用机械传动、电机驱动和气悬浮组合的方式来实现空间零重力环境的模拟,即:水平方向采用气悬浮方式,竖直方向采用永磁同步电机（PMSM）作为其执行器件,经减速器后利用滚珠丝杠及带直线轴承的导向杆的传动装置,通过力反馈控制方式来实时抵消目标重力。考虑到永磁同步电机具有非线性、强耦合的特点以及机械摩擦等不确定性及外界干扰,为保证实时性,内环采用动态性较好的滑模变结构控制器,外环采用学习速度快的模糊小脑模型关联控制（FCMAC）神经网络的控制策略来自适应学习并补偿各种不确定及非线性影响。仿真结果表明:所设计的试验系统具有整体重量轻、使用方便及零重力环境模拟精度高等优点,适用于复杂运动的大中型飞行器三维空间零重力地面模拟试验。     

空间光电跟踪系统闭环全物理仿真试验技术

为验证空间光电跟踪系统与卫星平台耦合作用下的跟踪性能,提出空间光电跟踪系统全物理仿真试验方法。利用三轴气浮台模拟卫星零重力下的自由转动,在地面实现了非合作目标闭环跟踪控制和空间动力学特性的综合模拟。采用基于整星姿态动力学的重力干扰力矩辨识方法,消除转动部件重力干扰对试验的影响,实现对系统跟踪脱靶量的精确评估。试验结果表明,空间光电跟踪系统针对非合作目标的跟踪脱靶量优于0.006°（3σ）,满足系统在轨应用需求。但在对高速目标跟踪过程中,跟踪脱靶量存在一定的相位滞后,控制方案需进一步优化。     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。     

货运飞船敏感器设备安装精度保证设计

位姿测量敏感器的安装精度直接影响航天器密封舱在轨姿态测量和交会对接控制精度。文章针对敏感器位姿在轨无法标定和载人航天器精度保证设计制约因素多的问题,对货运飞船精度保证设计中需要考虑的停放工装和重力影响、货物空满载、舱压和发射段振动等各种要素进行研究,提出一种融合多要素的载人航天器设备精度保证设计方法,确立基于单因素精度变化量的目标函数,实现精测结果评价量化,保证位姿测量敏感器精度满足在轨测量和控制要求。该方法已成功应用于“天舟”系列货运飞船,未来可应用于其他载人航天器研制中。     

双体卫星对日定向姿态机动控制

研究了双体卫星(DFP)对日定向姿态机动控制问题。首先分析双体卫星工作机理,建立载荷舱与平台舱姿态模型,推导磁浮机构线圈和磁钢相对距离的数学表达式。提出基于PD控制的载荷舱对日姿态机动、平台舱姿态跟踪以及两舱避碰等控制策略。在此基础上,为提高平台舱姿态跟踪速度,设计反步控制器对平台舱飞轮的动态特性进行补偿。进一步,为提高两舱协同控制性能,对传统PD控制进行改进,提出基于变增益PD控制的载荷舱姿态机动控制律,将两舱相对姿态信息包含在载荷舱对日姿态机动控制律中,有效降低了两舱碰撞风险,提高了两舱姿态机动速度。仿真结果表明,本文控制算法能有效实现双体卫星对日定向,且能避免两舱碰撞。     

高精度飞轮控制系统方案分析研究

卫星姿态控制是卫星控制领域里的最重要的一个方面 ,用于保证卫星的正常工作。一般的卫星姿态控制都采用飞轮控制方案 ,所采用的飞轮有磁悬浮飞轮和普通飞轮两种。虽然磁悬浮飞轮能克服飞轮自身摩擦力对卫星姿态的影响 ,但是磁悬浮飞轮在制造、工艺等方面要求高 ,而且成本昂贵。本文讨论了采用直流无刷电机控制普通飞轮的方案中关于转速和电流这两个关键参数的高精度控制问题 ,并给出了实际可行的解决方法。这些方法已在某型卫星上得到了部分应用。     

基于模糊卡尔曼滤波的内阻尼姿态算法研究

在系统机动性不强的情况下，传统的平台内阻尼算法将系统本身的速度信息通过阻尼网络加到系统中，达到提高姿态角精度的目的。将这种平台内阻尼的思想引入到捷联惯性航姿系统中，在系统加速度较小的情况下，利用加速度计的输出估计系统姿态角，通过卡尔曼滤波的形式补偿系统姿态误差。由于加速度的大小直接影响滤波器精度，本文设计了模糊自适应卡尔曼滤波算法，根据三轴加速度计的输出调整内阻尼量测误差方差阵，从而避免了滤波器的发散。仿真和实验验证，内阻尼算法可明显抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡，避免了系统姿态漂移，有效提高了捷联惯性航姿系统的精度。     

三轴气浮台挠性航天器动力学模拟方法研究

本文研究利用气浮台上的动量轮执行机构,模拟卫星上挠性附件振动产生的干扰力矩的卫星物理仿真实验方法,以克服三轴气浮台不能直接安装挠性附件进行仿真的局限性.本实验方法通过设计一个跟踪控制器,令气浮台的姿态角速度跟踪挠性卫星参考动力学,并由动量轮产生控制力矩,该力矩即是实验模拟的挠性振动干扰力矩.理论和仿真研究表明:(1)本文提出的挠性干扰力矩模拟方法可以较好地模拟低阶挠性振动干扰力矩;(2)理论上当控制器的增益参数越大,系统能够模拟的干扰力矩频率就越大,但是由于测量噪声的影响,反馈增益不能选得过大;(3)本方法模拟的干扰力矩与真实干扰力矩存在一定的相位延迟,这是由于控制器和执行机构的固有延迟造成的.通过引入超前-滞后校正网络可以有效减小延迟的影响.     

基于串级线性自抗扰的四旋翼姿态控制方法

针对四旋翼无人机姿态调整过程中,由于参数不确定性及外界环境干扰,往往给姿态控制带来一定困难。本文研究提出一种基于串级线性自抗扰的四旋翼姿态控制方法。首先建立四旋翼无人机的动力学姿态模型,提出采用串级PID双环路控制架构,将姿态控制任务分解为内外两个环路。采用Levant微分器提取控制参量,以强化跟踪能力。此外,对原线性自抗扰控制器进行优化,旨在更好地消除外界随机扰动对系统的影响。利用MATLAB Simulink环境对提出的控制方法进行模拟,结果表明相比传统方法,该方法能更好地抑制系统受扰动引起的影响,增强系统对期望信号的跟踪能力,从而明显提高了四旋翼无人机姿态调整的精度与稳定性,以及四旋翼无人机姿态控制的精度和鲁棒性。     

Parameters design of vibration isolation platform for control moment gyroscopes

Vibration isolation is a direct and effective approach to improve the ultra-precise pointing capability of a high resolution remote sensing satellite. In this paper, a passive multi-strut vibration isolation platform for the control moment gyroscopes in a pyramid configuration on a satellite is adopted and the parameter design of this platform is discussed. The first step constructs a whole satellite dynamic model including the control moment gyroscopes and the vibration isolation platform with Newton–Euler method, while the analytical control moment gyroscopes disturbance model is derived. The transmissibility matrix of the vibration isolation platform is then obtained, and the frequency domain characteristics of the platform are described, with its influence on the attitude control system analyzed. The third part presents the parameter design method of the vibration isolation platform based on the frequency domain characteristics mentioned above. The stiffness and damping coefficients of this platform are subsequently selected with the above mentioned method. Finally, using these parameters, the performance of the vibration isolation platform on the satellite is testified by integrated simulations. The study shows that parameters of this platform selected based on this method not only satisfy the requirement of vibration isolation but also guarantee that the closed-loop attitude control system remains sufficiently stable.