微小卫星推力器姿轨一体化控制技术研究

随着微小卫星的技术发展,采用微小卫星组网和轨道机动的需求越来越多。针对微小卫星重量轻、功耗低的特点,本文提出了基于推力器的姿轨一体化控制方案。该方案采用一个大推力器进行轨道控制,4个斜装小推力器兼顾轨道控制和姿态控制,不仅可在卫星轨道机动中实现三轴姿态控制,同时可提高控制系统的功能密度。采用Matlab仿真分析,给出了在卫星轨道机动中同时兼顾三轴姿态控制的仿真曲线。仿真结果表明:本文提出的控制策略具有很好的实用性。     

组合式航天器概念及构型变换最优脉冲控制

为应对多种多样的不确定性对传统航天器的挑战,提出了一种更具灵活性、可靠性的组合式航天器概念。从模块化设计、标准化接口、运行模式、空间任务构型方面对此航天器概念进行描述。它在可维护性、规模可缩放性、可重构性等性能显著增强,特别是具有根据空间任务的不同而进行构型变换的能力。并从相对运动动力学方程出发,本文针对组合式航天器空间任务构型变换,设计了给定机动时间的、以燃料消耗最少为目标的最优脉冲控制方法,生成最优脉冲序列。仿真结果表明,最优脉冲控制方法是实现组合式航天器构型变换的一种有效途径。     

超低轨航天器气动力分析与减阻设计

轨道降低,航天器受到的气动力增大,气动力对航天器影响显著。考虑自由分子流态 下的超低轨航天器,利用分割法把简单外形的航天器分割为几部分,分别计算各部分的气动 力,然后相加获得总的气动力效果;通过对平面的气动力进行计算分析,提出了超低 轨航天器的减阻设计方法;结果表明：当轨道高度降低到250 km左右时,航天器受到的气动 阻力比500 km高出约2个数量级;一般情况下,超低轨航天器应采用细长体构型,减小迎风 面积;侧面积引起的航天器阻力已经不可忽略,应采用侧面光滑技术,减少侧面阻力;当超 低轨航天器长细比超过一定限度后,随着长细比增大,大气阻力升高。
     

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.     

航天器编队飞行轨道构型研究

通过研究航天器编队飞行轨道动力学和推力控制,提出编队飞行轨道构型有自然式、强迫式和混合式三类,并对每类都举例说明若干种典型构型,以及构型如何建造与所需燃料,文章总共提出14种典型轨道构型,这些构型可供今后编队飞行应用参考。     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

卫星储能/姿控一体化飞轮构型及其误差分析

介绍了卫星储能/姿控一体化飞轮的偏置动量、零动量和单个飞轮的不同构型及其组成,并分析了成对飞轮偏置动量、单个飞轮零动量构型的动量和能量转换。建立了偏置动量和零动量飞轮的控制模型。对电机转矩不对称,以及转子转动惯量和安装不同轴误差对卫星姿态的影响进行了仿真试验。结果表明,前者的影响甚微;后者在不同轴误差为0.2°时,转动误差应小于2%。     

推力器布设对控制误差的影响分析

航天器推力系统发动机数目及其构型的选择直接影响控制系统的精度和完成要求任务的燃料消耗量.对航天器六自由度控制的推力分配问题进行了研究,参考卫星导航系统中几何精度衰减因子的定义,提出了发动机构型精度衰减因子的概念,用于定义发动机相对几何关系引起的执行误差与分配误差间的比例关系.通过矩阵理论分析得到了构型精度衰减因子随参与分配发动机数目增加而增加的结论,并通过仿真计算对相关结论进行了验证,为航天器发动机数目及其构型的选择提供了理论参考.     

变构型航天器参数化前处理方法

针对变构型航天器结构不固定的问题,基于VC 6.0软件对Trail及Session进程文件开发的方式,研究了利用Pro/E及Patran软件对航天器进行参数化建模及网格划分的具体操作方法,通过IGES中间文件的形式,将Pro/E及Patran相连接,利用VC开发工具建立了一套变构型航天器参数化前处理平台。采用两舱构型航天器对参数化前处理方法及平台进行了验证,结果表明:该参数化建模及网格划分方法切实可行,可为变构型航天器的静力学、动力学、热、结构等分析过程的前处理方法提供参考。     

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。     

航天器空间自主交会故障诊断与容错控制的集成设计

提出了一种航天器圆轨道自主交会故障诊断与容错控制的集成设计方法。在考虑推力器输出约束的情况下,完成了故障诊断与容错控制的集成设计,该集成设计包括鲁棒容错控制器设计和鲁棒故障观测器设计两大部分。为了提高交会过程中的过渡性能,对该控制器完成了鲁棒D稳定性分析。仿真表明该设计具有良好的动态性能和对推力器故障的容错性,并且能够快速准确地诊断出推力器和交会敏感器的故障。     

基于改进拟欧拉角的飞行器姿态控制律设计

由姿态四元数导出的拟欧拉角姿态描述继承了四元数无奇异的优点,并明确了相关分量的物理意义,但其同时也继承了四元数的双值性。本文对传统的拟欧拉角进行适应性改进,构建了改进的拟欧拉角,克服了原有姿态描述的双值性,并基于改进的拟欧拉角提出了新的相平面姿态开关控制律。最后对所提出的控制方案进行了仿真验证。     

航天器高精度姿态敏感器冗余测量信息智能融合技术

航天器在某些姿态敏感器故障的情况下，经多种组合进行自主故障判断、故障定位及重组后融合定姿，仍能保证姿测精度，或者在稍降低定姿精度的情况下，使航天器降级工作，挽救航天器。     

基于四元数反馈线性化的飞行器姿态控制方法研究

空间飞行器姿态控制系统是一个非线性多输入多输出系统,其姿控执行机构的布局及工作特性决定了姿态控制的难易程度。针对飞行器以姿控发动机作为姿控执行机构时的大角度姿态运动需求,本文采用单位四元数作为弹体姿态描述,考虑到姿控发动机布局对姿态控制的影响,直接以姿控发动机推力作为系统的控制输入,利用反馈线性化方法,将原非线性系统转化为一个六阶线性子系统和一个一阶内动态子系统。在对内动态分析的基础上,针对线性子系统设计了四元数PD反馈控制律。在转动惯量不确定性以及轨控大干扰力矩存在的情况下,对闭环控制系统进行了大角度姿态运动数字仿真。仿真结果表明,本文所设计的姿控方法能够有效地实现飞行器大角度姿态控制,并对系统参数摄动及外部干扰具有较强的鲁棒性。     

编队卫星姿态的自适应协同控制

研究了无向信息交互条件下的多卫星姿态同步和跟踪问题,分别在模型参数精确已知和存在模型参数不确定性的情形下设计分散式协同控制算法。当模型参数精确已知时,基于滑动模态变量设计的协同控制力矩,实现了编队卫星姿态的同步机动,即保证编队卫星姿态的同步,并同时跟踪期望的时变参考姿态轨迹。当在轨卫星存在模型参数不确定性和常值未知扰动力矩时,提出了一种自适应协同控制律,仍能实现多卫星姿态的同步机动。基于Lyapunov-Krasovskii的分析表明,当星间链路存在任意未知的定常通讯时延时,本文设计的控制器有效。数值仿真算例验证了本文提出的控制算法。     

飞行器在轨服务

定义了在轨服务（OOS）的概念。介绍了OOS可实现的在轨检查、组装、更换修理、补给,以及轨道转移等功能,讨论了可扩展公共卫星平台、精确测量系统与控制软件、先进对接机构、燃料传输系统、先进机械臂系统,自主运行与管理等关键技术。阐述了OOS发展的需求与驱动因素,以及对飞行器设计中通用化与标准化、理念调整,以及可靠性与技术分配重构等的影响。     

阿里安5姿态控制系统用400N推力室性能试验

介绍了阿里安5姿态控制系统(SCA)所用400N单组元肼分解推力室性能试验的结果.该推力室是由欧洲航天局出资、CNES负责研制的.SCA的目标适应不同的发射任务.在开始研制和评定阶段只有实际要求的工作循环得到了评定.为了增加对400N推力室性能的了解,进行了极限性能考核试验,以满足未来任务中试车程序的要求.     

载人飞船自动化轨道设计方法研究

为提高戢人飞船轨道设计的自动化程度和快速性,对自动化轨道设计方法进行了研究.分析了裁人飞船不同阶段飞行轨道的约束条件,用约束条件首先确定了轨道的半长轴取值范围,由回归条件可确定回归圈数的取值范围;在给定的回归和返回条件下,迭代求解运行轨道的轨道半长轴与倾角;根据运行轨道设计结果,反推初始轨道和留轨轨道的轨道根数.自动化...     

挠性航天器高精度智能控制方案研究

从工程角度出发，研究了智能控制方案，旨在提高挠性航天器的姿态指向精度和稳定度。针对挠性模态不可测的特点，文中采用了输出反馈变结构控制来抑制挠性附件的振动，并用神经网络自适应控制来补偿系统的不确定性因素。智能控制的引入使得控制器具有很强的自学习和自适应能力，可降低不确定性因素对系统产生的影响，减小系统的稳态误差，从而达到高精度控制的目的。仿真结果证明了该方法的有效性。