Attitude control system design and on-orbit performance analysis of nano-satellite––‘‘Tian Tuo 1’’

‘‘Tian Tuo 1'(TT-1) nano-satellite is the first single-board nano-satellite that was successfully launched in China. The main objective of TT-1 is technology demonstration and scientific measurements. The satellite carries out the significant exploration of single-board architecture feasibility validation, and it is tailored to the low-cost philosophy by adopting numerous commercialoff-the-shelf(COTS) components. The satellite is featured with three-axis stabilization control capability. A pitch bias momentum wheel and three magnetic coils are adopted as control actuators.The sun sensors, magnetometers and a three-axis gyro are employed as the measurement sensors.The quaternion estimator(QUEST) and unscented Kalman filter(UKF) method are adopted for the nano-satellite attitude determination. On-orbit data received by ground station is conducted to analysis the performance of attitude determination and control system(ADCS). The results show that the design of ADCS for TT-1 is suitable, robust and feasible.     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

基于载体姿态测量的微伺服吊舱

针对微小型无人机光电吊舱对光轴稳定与目标跟踪的需求,研究了一种基于载体姿态测量的光学平台稳定技术.该技术利用吊舱基座上的速率陀螺测量机体三轴姿态运动,通过控制光学平台的俯仰和偏航两通道伺服系统实现对光轴的惯性空间稳定.该系统使用步进电机来当执行机构,根据步进电机的特性,可以推导得到控制量与转速的关系,由此省去了在一般捷联稳定技术中的微分测速环节,得出了一种新的基于前馈控制的不变性原理.设计了解耦指令分配算法,将一个两轴耦合系统,转换为两个独立的单轴系统.在单轴控制中,分别设计了比例控制及比例积分控制算法实现对光轴的稳定控制和跟踪.最后通过在Matlab/Simulink环境下的仿真,以及实际的摇摆台试验,证明了基于载体姿态测量的稳定技术能够实现微小型无人机光电吊舱的光轴稳定.     

航空发动机动态姿态仿真测试台架设计

为了更真实全面地仿真航空发动机的使用状态,研制了一种用于小型航空发动机整机动态姿态仿真测试的台架。该台 架具有横滚和俯仰2个自由度,可提供位置、速率及摇摆等功能,采用伺服电机带动齿轮组件和蜗轮蜗杆进行驱动,并具备排气装 置。设计结果表明：动态姿态模拟转台速度可达30°/s,加速度可达50°/s2,运动范围为±175°,定位精度实测优于±0.12°;可以任何 位置为中心做正弦、梯形、三角波等形式的运动。该设备的研制可进一步提高地面试验的仿真精度,有利于发动机检测技术的发展。     

SINS辅助的星敏感器在线标定方法

航天器在飞行过程中,星敏感器受到外界温度、地面标定精度等因素影响存在较大的安装误差,这将严重影响星敏感器的定姿精度。为提高星敏感器精度,对其安装误差进行严格的在轨实时标定与修正是确保星敏感器测量精度的关键。提出了一种SINS辅助的在线标定方法,将SINS/星敏感器输出的姿态信息进行配准,构建了组合导航系统的Kalman滤波模型。该方法只需航天器在飞行过程中做简单的机动,即可对星敏感器的安装误差角进行实时在线标定。仿真结果表明,采用该标定方法可使星敏感器和惯导的安装误差角的总体估计率达到95%以上,具有较高的工程应用价值。     

姿态遥控模式下的无人机短周期特性辨识仿真研究

为了探索姿态遥控模式下的无人机纵向短周期模态计算方法,本文以某型机为例建立了姿态遥控模式下的无人机动力学模型,并采用纵向倍脉冲信号对无人机进行了激励。根据响应结果,基于低阶等效拟配法,采用遗传算法对无人机的阻尼、频率特性进行了辨识,对比分析了时域以及频域辨识方法的结果,最后将所得方法应用于某型无人机纵向短周期模态特性辨识。结合飞行员评价表明,频域辨识拟配得出的频域特性比时域特性好,拟配精度更高;所采用的低阶等效拟配方法适用于姿态遥控模式下的无人机纵向短周期特性评价。     

基于退步法的敏捷航天器姿态控制方法

主要研究敏捷航天器大角度姿态机动问题。首先,以SGCMG(Single Gimbal Control Momentum Gyroscope,单框架控制力矩陀螺)为执行机构,建立了基于四元数的航天器姿态机动数学模型;然后,针对SGCMG的奇异问题,研究了基于力矩输出和回避奇异能力最优的联合操纵律;最后,基于敏捷航天器姿态误差模型和李雅普诺夫稳定理论设计了一种退步控制律。仿真结果表明,该控制方法能够很好地实现大角度机动目标并有效避免了SGCMG的奇异状态,满足姿态机动任务的控制精度和稳定度要求。     

长航时高精度惯导系统姿态阵的四种解算方法

高精度惯性导航系统是保证水下或水面运载体长时间安全航行及搭载的仪器设备正常工作的关键技术之一,姿态阵解算是其核心问题。通过分解姿态阵以及分别采用Euler角和四元数描述姿态参数,建立解算姿态阵的四种方法;分别对这四种方法中的姿态模型进行扰动,并研究相应线性化误差模型的精度及其影响因素;利用数值仿真法对四种姿态解算方法的结果及对应的线性化误差模型的精度进行了比较分析,结果表明:姿态阵解算分解法显著差别于整体法,采用Euler角或四元数描述姿态参数对姿态阵解算精度的影响不显著,分解法对应的线性化误差模型的精度优于整体法。     

局部可观测理论在INS/GPS机动对准中的应用

从研究INS/GPS(Inertial Navigation System/Global Positioning System)组合系统的姿态角误差可观测性出发,首次将局部可观测性理论应用于INS/GPS组合系统,定量地计算出各种不同机动方式的局部可观测矩阵的条件数,找到了提高姿态角误差可观测性的最佳机动方式.研究结果表明,通过载体做正弦水平机动飞行可以提高姿态角误差局部可观测性,使空中对准时间明显减少,姿态角误差大大降低.当对准时间为120 s时,东北天向姿态角误差的均值分别为12.34″,12.19″和-28.31″,它们的均方根值分别为0.97″,1.05″和0.62″.      

PINS静基座对准中的理论与算法的研究

分析了平台式惯导系统(PINS)静基座条件下的可观测性,采用系统可观测矩阵的条件数来定量计算PINS静基座可观测性能,找出该条件下的可观测矩阵条件数最小的3个不可观测变量.采用了自适应Kalman算法和常规Kalman算法对简化模型进行了仿真比较.仿真结果表明前者比后者滤波收敛快.进而提出了一种基于Elman神经网络的快速对准方法.