航天器姿态动力学与控制教案课件.pptx

1、会计学1航天器姿态动力学与控制航天器姿态动力学与控制绪论绪论第1页/共247页航天器无人航天器载人航天器人造地球卫星空间探测器科学卫星技术试验卫星月球探测器行星和行星际探测器应用卫星载人飞船航天飞机空间站卫星式载人飞船登月载人飞船绪论 第2页/共247页单自旋稳定航天器第3页/共247页双自旋稳定航天器风云二号卫星第4页/共247页QuickBird卫星对地定向卫星(气象卫星、资源、侦查卫星等)第5页/共247页哈勃太空望远镜对天体定向的航天器第6页/共247页嫦娥一号卫星(三体定向)第7页/共247页对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论绪论第8页/共247页天线对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论绪

2、论第9页/共247页日本技术实验卫星7号(ETS VII)第10页/共247页对日定向模式对地定向工作对日-对地定向姿态机动对地-对日定向姿态机动太阳光方向对地观测卫星的姿态机动第11页/共247页姿态动力学第6章 三轴稳定航天器的姿态动力学绪论 第12页/共247页第二部分 航天器姿态控制l第7章 航天器姿态确定基础 l第8章 自旋、双自旋航天器的姿态确定 第9章 三轴稳定航天器的姿态确定 第10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制 第11章 三轴稳定航天器的姿态控制 第12章 航天器姿态控制系统设计概述 绪论 章节安排章节安排第13页/共247页参考书目参考书目1.空间飞行器姿态控制系统 杨大

3、明编著.哈尔滨工业大学出版社,2002 2.卫星姿态动力学与控制 屠善澄主编.宇航出版社,20013.卫星轨道姿态动力学与控制 章仁为编著.北京航空航天大学出版社,19984.空间飞行器飞行动力学 刘暾、赵均著。哈尔滨工业大学出版社,2003 5.空间飞行器动力学与控制 卡普兰著.北京:科学出版社,1981 绪论 第14页/共247页第第1章章 航天器姿态运动学航天器姿态运动学第15页/共247页航天器常用坐标系航天器常用坐标系黄道、赤道、春分点第16页/共247页航天器常用坐标系航天器常用坐标系izeO赤道面ix春分点方向iyr飞行器地心赤道惯性坐标系第17页/共247页ezeO赤道面exe

4、yr航天器Greenwich子午面航天器常用坐标系航天器常用坐标系地心赤道旋转坐标系第18页/共247页航天器常用坐标系航天器常用坐标系轨道坐标系和星体坐标系的示意图0ozoyoxbzbxby地球第19页/共247页姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角azayaxObybxOazayaxOazbybzbxayaxay基元旋转矩阵第20页/共247页姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角OaZ1ZbZ2ZaX12XXbXaY1Y2YbYzxz旋转顺序第21页/共247页姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角方向余弦矩阵和zxz顺序欧拉角的关系1313213311323tgcostgCCCCC bazxzC CS C

5、SC SS C CS SCCCCS CC C SS SC C CC SS SS CC 第22页/共247页姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角O1aZZ1ZbZ2ZaX12XXbXaY1Y2bYYzxy旋转顺序第23页/共247页2.方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系 bayxzC CS S SC SS S CC SCCCCC SC CSS CS C SS SS C CC C 1212212311333tansintanCCCCC 姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角第24页/共247页3.方向余弦矩阵和zyx顺序的欧拉角的关系1121111312333tansintanCCCCC姿态参数姿态参数-欧

6、拉角欧拉角 ,zyxxyzC CC SSCCCCC SS S CC CS S SS CS SC S CS SC S SC C 第25页/共247页T3222cos1 cossincos1 cos1 cossin1 cossin1 cossincos1 cos1 cossin1 cossin1 cossincos1 cosbaxxyzxzyxyzyyzxxzyyzxzCEeeeee eee eee eeee eee eee eee 姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角第26页/共247页姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角欧拉轴/角坐标变换示意图eabuuv第27页/共247页ayaxbxbya

7、zbzezxy姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角第28页/共247页姿态参数姿态参数 欧拉参数欧拉参数(姿态四元数姿态四元数)2TT03022220123123013202222123001232310222213202310012322222222baCqq q Eqqq qqqqqq qq qq qq qq qq qqqqqq qq qq qq qq qq qqqqq欧拉参数与方向余弦矩阵的关系0112233123320231130312210112141414qCCCqCCqqCCqqCCq 1112233212211313311023321112141414qCCCqCCqqCCqq

8、CCq 2112233323322031132112212112141414qCCCqCCqqCCqqCCq 3112233012213113313223323112141414qCCCqCCqqCCqqCCq 第29页/共247页第第2章章 航天器姿态动力学基本方航天器姿态动力学基本方程程第30页/共247页第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程刚体模型尖兵一号甲美国XSS-10卫星第31页/共247页探险者一号卫星单自旋准刚体模型第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程实践一号甲第32页/共247页东方红二号第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天

9、器姿态动力学基本方程双自旋准刚体模型双自旋陀螺体模型第33页/共247页第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程多刚体模型美国QuickBird卫星第34页/共247页刚体-挠性体混合系统风云一号第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第35页/共247页刚体-挠性体-液体的混合系统美国TDRS卫星第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第36页/共247页日本Jers-2卫星第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程刚体-挠性体-液体的混合系统第37页/共247页日本ETS VII卫星第第2章章 航天器姿态动力学基

10、本方程航天器姿态动力学基本方程多刚体-挠性体-液体的混合系统第38页/共247页日本ETS VIII卫星第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程刚体-挠性体-液体的混合系统第39页/共247页大型挠性体系统第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第40页/共247页大型挠性空间结构大型挠性空间结构(太阳帆太阳帆)第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第41页/共247页xyz0y0 x0zO0OnOnznxny0rnr0BnB第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第42页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间

11、环境力矩第43页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩美国子午导航卫星美国子午导航卫星(重力梯度卫星重力梯度卫星)第44页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩中巴资源一号卫星(太阳光压力矩较大的例子)第45页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩反射类型第46页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩AndA太阳光s第47页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩dAAnRVvC第48页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩大气密度分布图第49页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩第50页/共247页第第3章章 空间环境力矩

12、空间环境力矩当地磁测坐标系的示意图 eOexezmxmymzO第51页/共247页第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩航天器环境力矩相对幅值第52页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器自旋、双自旋航天器 姿态动力学姿态动力学第53页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学东方红-1号卫星伽利略木星探测器伽利略木星探测器第54页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学美国”Lunar Prospector”月球探测器第55页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学美国Cl

13、ementine月球探测器第56页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学第57页/共247页国际通信卫星IV国际通信卫星VI第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学第58页/共247页东方红二号试验通信卫星东方红二号试验通信卫星甲第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学第59页/共247页风云二号气象卫星第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学第60页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋体的本体锥自旋体的本体锥第61页/共

14、247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学b扁粗体航天器的空间锥和本体锥第62页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学b细长体航天器的空间锥和本体锥第63页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学xyz自旋航天器在惯性空间的运动自旋航天器在惯性空间的运动第64页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学能量椭球和角动量椭球的交线(本体极迹)第65页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学一般刚体自由姿态

15、运动的本体极迹第66页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学不变平面和不变线的定义Poinsot椭圆在不变平面上的无滑动滚动第67页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学推力倾斜的自旋航天器第68页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学带有姿控推力器的自旋航天器第69页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学美国探险者一号卫星第70页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学有能量耗损时的本体

16、极迹第71页/共247页2222222222222222(/)(/)(/)(/)()()yzxxxyzxxxxzxyyzyyyzxyxzyyxxzxyyzyxyxxyyzxxyzzzzxzxxyzyyIIMTIIIIIIIIMIITIIIIIIIIIIIIMTIIII III II 第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学一般准刚体的姿态动力学模型注：美国“伽利略”号木星探测器采用的动力学模型第72页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学 DRObxbybzyxbOz带有管球型章动阻尼器的自旋卫星第73页/共247页第第4章

17、章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学InterSat-IV 通信卫星InterSat-III 通信卫星第74页/共247页第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学轴对称双自旋航天器第75页/共247页第第5章章 重力梯度稳定航天器重力梯度稳定航天器姿态动力学姿态动力学第76页/共247页xzIIxzII(a)(b)第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度稳定航天器姿态动力学平面运动的相轨迹 第77页/共247页第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度稳定航天器姿态动力学13zK yxzIIIxzyIIIyzxxIIKIyxzz

18、IIKI第78页/共247页美国子午仪一号导航卫星第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度稳定航天器姿态动力学第79页/共247页重力梯度加恒值动量轮第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度稳定航天器姿态动力学第80页/共247页第第6章章 三轴姿态三轴姿态稳定航天器稳定航天器姿态动力学姿态动力学第81页/共247页第第6章章 三轴姿态稳定航天器姿态动力学三轴姿态稳定航天器姿态动力学惯性轮框架动量轮第82页/共247页11.2 采用角动量交换装置的姿态控制系统采用角动量交换装置的姿态控制系统惯性轮惯性轮Dynacon MicroWheel 1000单框架控制力矩陀螺单框架控制力

19、矩陀螺Astrium CMG 15-45s第83页/共247页第第6章章 三轴姿态稳定航天器姿态动力学三轴姿态稳定航天器姿态动力学带有多个惯性轮的三轴稳定航天器示意图第84页/共247页第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础第85页/共247页第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础Obibjbks坐标系绕单参考矢量的转动第86页/共247页第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础wuv*u*v*w3e12双矢量定姿中观测矢量存在误差的情况第87页/共247页第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础平台惯导的稳定平台第88页/共247页第第8章章 自旋、双自旋

20、稳定航天器自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定的姿态确定第89页/共247页自旋轴的赤经、赤纬第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第90页/共247页第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定coscos cossin sin coscoscoscossinsincosabcbcAABCBCa 余弦定理:正弦定理:sinsinsinsinsinsinabcABC球面三角公式第91页/共247页第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定球面直角三角公式(10个常用公式)tansintanbaB

21、1.已知一直角边及其邻角，求该角对应的直角边第92页/共247页V型狭缝式太阳敏感器的测量几何第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第93页/共247页A1S2S第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定常用的V型狭缝式太阳敏感器的测量几何第94页/共247页第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋扫描式红外地球敏感器测量原理图 第95页/共247页ESE地球弦宽测量几何 第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第96页/共247页第第8章章 自旋

22、、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定eR2COhR航天器地心星体对地球的视角半径第97页/共247页双锥相交法示意图 第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定真真自自旋旋轴轴伪伪自自旋旋轴轴SE第98页/共247页SESESESEAC航天器中心天球示意图 第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第99页/共247页SEC三体锥确定唯一姿态的几何原理图第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第100页/共247页第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自

23、旋稳定航天器的姿态确定SESESE用转动角确定姿态唯一解的示意图第101页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定第102页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定光电池n太阳光 0cosII余弦检测器的工作原理第103页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定模拟式太阳敏感器的工作原理第104页/共247页太阳光线和狭缝组成的平面太阳方向sSz太阳光光线码盘光电池第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定编码式太阳敏感器的测量原理第105页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的

24、姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定光刻狭缝CCD光敏面太阳像中心元第一亚元光零位元SX0XhCCD太阳敏感器的测量原理第106页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定 SzSySxs单轴太阳敏感器的测量几何及数学模型1tanyzSS第107页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定SzSxSySss光学狭缝1光学狭缝2双轴太阳敏感器的测量几何及数学模型22tg1tgtgtg11xyzSSS第108页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定 OSzSxSy红外视场扫描方向红外扫描锥基准点单圆锥扫描式地

25、球敏感器第109页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定 iHoH运动方向扫描轴瞬时视场地球方波地中扫入时刻it扫出时刻ot0.5HDHS基准面无偏差基准tSHSHS基准基准基准面正偏差基准面负偏差圆锥扫描式地球敏感器的工作原理第110页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定ESySxSzAiHoHH 扫描锥0.5DHSO 圆锥扫描式地球敏感器的测量几何sinsincoscossinHSHE0.5HDSHHcoscos cossinsincos2DH第111页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态

26、确定圆锥扫描红外敏感器的两种典型布局第112页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定ASxSyC地球圆盘A13BDCBD42OO单个探头视场滚动角俯仰角双地平摆动扫描地球敏感器测量原理1324213411221122 第113页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定敏感器视场地球热电堆视场地球北东西南(a)(b)辐射热平衡式地球敏感器的原理第114页/共247页第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定CCD阵列SySxV光学镜头sf,xyppSz2221xSyxySSpVpppff恒星在CCD上成像的几何关

27、系第115页/共247页SES0RBzzRxBxRyBy0S第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定“东方红三号”卫星太阳敏感器安装位置第116页/共247页第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿自旋、双自旋航天器的姿态控制态控制第117页/共247页第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制同步轨道卫星远地点变轨的几何关系第118页/共247页自旋、双自旋航天器自旋轴姿态的星-地大回路控制第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第119页/共247页第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控

28、制美国Clementine月球探测器第120页/共247页第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋体的本体锥自旋体的本体锥第121页/共247页喷气力矩作用下姿态运动示意图第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第122页/共247页角动量进动示意图第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制 0H jF2平均力矩方向HH第123页/共247页第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制/2/2sin/2cosd/2TjjTTHTt tTTT第124页/共247页第第10章章 自

29、旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第125页/共247页第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第126页/共247页第第11章章 三轴稳定航天器的姿态控制三轴稳定航天器的姿态控制 第127页/共247页l11.1 三轴稳定航天器的喷气控制 l11.2 采用角动量交换装置的姿态控制 1)整星零动量轮控系统 2)偏置动量轮控系统 l11.3 航天器姿态捕获与姿态机动控制 第第11章章 三轴稳定航天器的姿态控制三轴稳定航天器的姿态控制第128页/共247页电磁阀dT+控制器姿态敏感器+-,rr,推进剂喷管星体,推进系统jTcu喷气姿态控制系统系统框

30、图11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第129页/共247页推力器冷气推力器热气推力器电推力器F=0.0522NIS=60120sF=0.0522NIS=135290sF=0.0020.01NIS3000s(大推力器F0.02N)压缩气体氮氩液态气体丙烷氨水升华固体铵氢硫化物脉冲等离子体（电磁）水银离子轰击式（静电）水银铯胶体（静电）甘油内的钠碘化物电阻加热电离式推力器氨（NH3）单组元推进剂肼(N2H4)(电热式)双组元推进剂偏二甲肼/N2O411.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 推进系统种类第130页/共247页肼路挡板加热器催化剂喷管衔铁u控

31、制信号电磁铁推力器电磁阀结构原理图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第131页/共247页控制信号1cucIOjF推力OttTnSRTSDTtOdTSRT控制信号1cucIOjF推力OttTnSRTSDTtOdTSRTfrTfdT喷气执行机构的动态特性 第132页/共247页控制信号1cuFOjF推力OttTnTn控制信号1cuFOjF推力OttTnTdDTRT11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 理想开关特性的推力器数学模型带有时延开关特性的推力器数学模型第133页/共247页bxJ1J2J3J4J5J6J7J8bybz典型的6+2姿控推力器

32、布局图（HY-1A）11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第134页/共247页神舟飞船的推进系统推力器布局11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第135页/共247页正力矩作用下的相轨迹曲线 不同力矩作用下的相轨迹曲线 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第136页/共247页负力矩作用下的相轨迹曲线 零力矩作用下的相轨迹曲线 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第137页/共247页1sdyT推力器jyT+-0r u teO+1-1u1yI s理想继电控制器的喷气姿态系统框图 11.1 三轴稳定航天

33、器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第138页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 理想继电控制器的喷气控制系统相平面图 第139页/共247页1sdyT推力器jyT+-ru1yI s u teO+1-1DDe11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 带有死区特性的继电控制器的喷气姿态系统框图 第140页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 正开区负开区零区1l2lDD带有死区特性的继电控制器的相轨迹 第141页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 正开区负开区零区DD1l

34、2l带有死区特性的继电控制器的相轨迹(有常值干扰力矩)第142页/共247页死区特性继电器+比例微分环节控制器的单轴喷气姿态控制系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 dyT推力器jyT+-ru1yI sk-1se u tO+1-1DDe+r+第143页/共247页正开区负开区零区1l2l102345678带有死区特性继电器+比例微分环节控制器的相轨迹 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第144页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 斯密特环节+比例微分环节控制器的单轴喷气姿态控制系统框图 dyT推力器j

35、yT+-ru1yI s1se+euO+1-1DDhh+k-r+第145页/共247页正开区负开区零区102345678正开线正关线负开线负关线IJKH1Dh1Dh带有斯密特控制器的单回路姿态控制系统相轨迹(无滑行现象)11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第146页/共247页正开区负开区零区10234568正开线正关线负开线负关线K11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 带有斯密特控制器的单回路姿态控制系统相轨迹(滑行现象)第147页/共247页正开区负开区零区正开线正关线负开线负关线常值正干扰力矩形成单边极限环的情况 11.1 三轴稳定航天器的喷气

36、控制三轴稳定航天器的喷气控制 第148页/共247页正开区负开区零区正关线负开线负关线延迟后的负开线RT考虑推力器时延的极限环 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第149页/共247页010sincos sin0coscos sincoscossinsinsin0sincoscossincoscossinsinbxbbybz1010sincos sin0coscos sincoscossinsinsin0sincoscossincoscossinsinbxbybz 用速率陀螺得到姿态角速率的方法用速率陀螺得到姿态角速率的方法11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航

37、天器的喷气控制 第150页/共247页dyT推力器jyT+-0ru1yI s-1se11kskseuO+1-1DDhh采用超前校正控制器的单轴喷气姿态稳定控制系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第151页/共247页GA1C2CBDHEFG1C2C11,cRa HEFBDA41,cRa 22,cRa32,cRa52,cRa61,cRa 7,0R11,cRa22,cRa32,cR a52,cRa41,cRa61,cRa7,0RlslsDBBD数字式相平面控制律11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第152页/共247页dyT推力器jyT+-

38、0ru1yI s-1se1FFKT sF+-伪速率控制器euO+1-1DDhh t采用伪速率控制器的单轴喷气姿态控制系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第153页/共247页pTNtFt1t0t2t+1 u tt伪速率控制器的工作特性 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 第154页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 dyT理想执行机构cT+-0r-ecT sGTsam21yI s零阶保持器dyT理想执行机构cT+-0r-ecT sG21yI s连续控制系统离散控制系统第155页/共247页采用脉宽调制

39、器的喷气姿态控制系统框图minminmaxmax0,conjcccTPTK TPTPTTP脉宽调制器：11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 dyT推力器jT+-0ru-ePWMcT sGTsam21yI s零阶保持器第156页/共247页 bzbxbyxhyhzhsh整星零动量轮控系统的构型方案三正交反作用轮方案由偏置动量轮组成的整星零动量方案11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第157页/共247页 U t E tRLJ dMt i t直流电动机动态原理图 ddddemdi tU tE tRi tLtE tKttM tK i t

40、JMtt11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第158页/共247页 111wmmemwhsKKK KU sRRssTRJ直流电机等效数学模型1RLsmK1wJ sdMMiwheKU+-+11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第159页/共247页力矩模式的飞轮等效模型框图 1RLsmK1wJ sdMMiwheKU+-+KscTvwK+-cu1mK emcwKsh sRK KKTssRRJ11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第160页/共247页转速模式飞轮的等效模型框图

41、1RLsmKdMMiwheKU+-+Kwch+-cT1wJ sK1s ecmwwsh sKKK KRTssKJJ11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第161页/共247页控制器执行机构（飞轮）空间飞行器姿态动力学姿态确定环节参考信号,dTcT+-uT,+零动量轮控系统框图 整星零动量轮控系统数学模型的简化整星零动量轮控系统数学模型的简化11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第162页/共247页选择zyx顺序的姿态角作为姿态参数010sincos sin0coscos sincoscossinsinsin0sin

42、coscossincoscossinsinbxbbybz （2）1.姿态动力学模型(带有惯性轮的刚体)（1）bbbbbbdIIhTh飞轮控制力矩wwhUJ11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第163页/共247页简化假设条件：1）飞行器的轨道为近圆轨道；2）飞行器的体坐标系与其主惯量坐标系重合；3）正常控制时，姿态角和姿态角速度均为小量线性化后的姿态动力学模型为：200000020000 xxzyyzzydxxyxzdyyzxzyyxyxdzzIIIIIIhhThIhhThIIIIIIhhTh 11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴

43、稳定航天器的轮控系统第164页/共247页2.执行机构环节(1)力矩模式飞轮等效模型（2）转速模式飞轮等效模型3.姿态确定环节 1ssssKGssT s结论：采用陀螺进行姿态预估时，可视为比例环节 11csh sRTssK 11cmsh sRTssK K11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第165页/共247页假设：1）采用三正交反作用轮构型方案 2）对地定向低轨卫星(刚体)3）采用力矩模式反作用飞轮 4）姿态确定环节时间常数忽略不计0000 xxzyzzdxxxydyyyzxzyxxdzzzIIIIJTJITJIIIIJTJ 姿态动力学模型：整星零动

44、量轮控系统的设计11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第166页/共247页1.俯仰通道设计 dyTs cyTs s+-rsPDKK s21yI s+0rs当 时，闭环时域方程为11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统cyyyPrDrTJKK 控制律：22dynnyTI 第167页/共247页11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统2sin1ntnAet（1）脉冲干扰力矩 dyTDt221ynDAI 0yyyJD（2）阶跃干扰力矩 0dyyTT I t022sin1nytnynT

45、AetI 00yyyyJT t 20221tan1yynTAI第168页/共247页11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统(3)周期干扰力矩00sindyyTTt20sin1sinnnAetBt 002222002,tanynnynTBI 00000002sindyyyyyTJTttIB 结论：周期性干扰作用下，存贮到飞轮的最大动量矩是有限量。轮控系统适用于存在周期性干扰力矩的环境。第169页/共247页2.滚动-偏航通道设计0000 xxzyzzdxxxzxzyxxdzzzIIIIJTJIIIIJTJ 0000cxxxpxdxxzyzzczzzpzdx

46、xzyxxTJKKIIIJTJKKIIIJ 控制律：PDPD控制控制+角动量解耦回路角动量解耦回路11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统xdxpxdxzdzpzdzIKKTIKKT第170页/共247页 bzbxbyxhyh3h4h3正交+1 斜装构型方案310033010330013U 11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第171页/共247页飞轮阵DU cchhwwhh wwhh h h0dtcccchThT t Th 1.根据期望控制力矩计算飞轮指令2.控制指令分配3.实际产生的控制力矩11.2 整星零动量

47、三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第172页/共247页bxbybz1h2h3h4hbxbz1sinh4sinh2sinh3sinh四反作用轮斜装方案11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第173页/共247页TT1optcos1sin2sin4cos2sinsin1cos2sin4cos2sin()cos1sin2sin4cos2sinsin1cos2sin4cos2sinDUUUsincossinsinsincossinsincoscoscoscossinsinsincossinsinsincosU按功耗最省得到的分配矩阵：1

48、1.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第174页/共247页1111111111331111,1 11341 1111 11UDoo45,54.74(最佳安装角)2222222sin4cos2sincycxczhhhJ最佳安装角：*1otan254.74*22234cxcyczJhhh11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第175页/共247页 单轮可靠性安装构型冗余度三正交无备份00.7290.77060.8574三正交各加备份10.97030.97940.9925三正交加一斜装10.94770.96290.986

49、0四个斜装10.94770.96290.9860五个斜装20.991440.99500.9988六个斜装30.998730.99940.99990.95R 0.9168R 0.9R 轮控系统构型的冗余度与可靠性的关系11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第176页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制 hbyO轨道地球bzbx对地定向偏置动量三轴稳定航天器示意图第177页/共247页2000020000 xyzBxzyBxzdxcxzyxBxzyBzxdzcxIIIhIIIhhhTTIIIhIIIhhhTT 俯

50、仰通道简化动力学模型：yydycyIhTT 滚动-偏航通道简化动力学模型：bbbbdcIIhhTT11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制Bxxyyzzhhhhhhhh 第178页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制 220002200000 xyzBxzyBxzyBzyxBxcxdxzczdzI sIIhIIIhsssIIIhsI sIIhshsTsTsshsTsTs开环系统特征方程式为 222200 xznI Iss22001BnyxByzBxzxzhIIhIIhI II I22000220000 xyzBxzyB