航天器姿态动力学与控制课件.ppt

1、航天器姿态动力学与控制讲授教师：李立涛学科专业：飞行器设计绪论绪论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 单自旋稳定航天器双自旋稳定航天器风云二号卫星QuickBird卫星对地定向卫星(气象卫星、资源、侦查卫星等)哈勃太空望远镜对天体定向的航天器嫦娥一号卫星(三体定向)对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论绪论天线对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论绪论日本技术实验卫星7号(ETS VII)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

2、动章节安排第一部分 航天器姿态动力学 绪论 第1章 航天器姿态运动学 第2章 航天器姿态动力学基本方程 第3章 空间环境力矩第4章 自旋、双自旋航天器的姿态动力学第5章 重力梯度稳定航天器的姿态动力学第6章 三轴稳定航天器的姿态动力学 绪论 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 章节安排章节安排参考书目参考书目1.空间飞行器姿态控制系统 杨大明编著.哈尔滨工业大学出版社,2002 2.卫

3、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 第第1章章 航天器姿态运动学航天器姿态运动学航天器常用坐标系航天器常用坐标系黄道、赤道、春分点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ezeO赤道面exeyr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航天器常用坐标系航天器常用坐标系轨道坐标系

4、和星体坐标系的示意图0ozoyoxbzbxby地球姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角azayaxObybxOazayaxOazbybzbxayaxay基元旋转矩阵姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角OaZ1ZbZ2ZaX12XXbXaY1Y2YbYzxz旋转顺序姿态参数姿态参数-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 SC SS C CS SCCCCS CC C SS SC C CC SS SS CC 姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角O1aZZ1ZbZ2ZaX12XXbXaY1Y2bYYzxy旋转顺序2.方向余弦矩阵和zx

5、y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-欧拉角欧拉角 ,zyxxyzC CC SSCCCCC SS S CC CS S SS CS SC S CS SC S SC C T3222cos1 cossincos1 cos1 cossin1 cossin1 cossincos1 cos1 cossin1 coss

6、in1 cossincos1 cosbaxxyzxzyxyzyyzxxzyyzxzCEeeeee eee eee eeee eee eee eee 姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角欧拉轴/角坐标变换示意图eabuuvayaxbxbyazbzezxy姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角姿态参数姿态参数 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

7、 qq qq qq qqqqq欧拉参数与方向余弦矩阵的关系0112233123320231130312210112141414qCCCqCCqqCCqqCCq 1112233212211313311023321112141414qCCCqCCqqCCqqCCq 2112233323322031132112212112141414qCCCqCCqqCCqqCCq 3112233012213113313223323112141414qCCCqCCqqCCqqCCq 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

8、号甲美国XSS-10卫星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东方红二号第第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双自旋准刚体模型bxbybz,RPzzPyRyRxPxPORO双自旋陀螺体模型第第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多刚体模型美国QuickBird卫星刚体-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日本Jers-2卫星第第2章章 航天器姿

9、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-液体的混合系统日本ETS VII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多刚体-挠性体-液体的混合系统日本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第3章

10、章 空间环境力矩空间环境力矩第第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)第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩反射类型第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩AndA太阳光s第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩dAAnRVvC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第3章章 空间环境力矩空间环境力矩第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩当地磁测坐标系的示意图 eOexezmxmymzO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第4章章 自旋、双

11、自旋航天器自旋、双自旋航天器 姿态动力学姿态动力学第第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Clementine月球探测器第第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东方红二号试验通信卫星东方红二号试验通信卫星甲

12、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第4章章 自旋、双自旋航天器

13、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运动的本体极迹第第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第4章章 自旋、双自旋航

14、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极迹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第4章

15、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SxSySz,RPzzPyRyRxPxPORO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 yxzIIIxzyIIIyzxxIIKIyxzzIIKI美国子午仪一号导航卫星第第

16、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矩陀螺Astrium CMG 15-45s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

17、航天器示意图第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础第第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第8章章 自旋、双自旋稳定航天器自旋、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 si

18、n coscoscoscossinsincosabcbcAABCBCa 余弦定理:正弦定理:sinsinsinsinsinsinabcABC球面三角公式第第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)tansintanbaB1.已知一直角边及其邻角，求该角对应的直角边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第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确

19、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 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eR2COhR航天器地心星体对地球的视角半径双锥相交法示意图 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SESESESESEAC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

20、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SESESE用转动角确定姿态唯一解的示意图第第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第9章章 三轴稳定航天器的姿态确

21、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球敏感器第第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 i

22、HoH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圆锥扫描红外敏感器的两种典型布局第第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A13BDCBD42O

23、O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上成像的几何关系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

24、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美国Clementine月球探测器第第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

25、控制 0H jF2平均力矩方向HH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 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电磁阀

26、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 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

27、推进系统种类肼路挡板加热器催化剂喷管衔铁u控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 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 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bxJ1J2J3J4J5J6J7J8bybz典型的6+2姿控推力器布局图（HY-1A）1

28、1.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 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 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 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 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 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 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

29、器的喷气控制系统相平面图 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 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 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DD1l2l带有死区特性的继电控制器的相轨迹(有常值干扰力矩)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+-

30、ru1yI sk-1se u tO+1-1DDe+r+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 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jyT+-ru1yI s1se+euO+1-1DDhh+k-r+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 正开区负

31、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)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控制三轴稳定航天器的喷气控制 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 010sincos sin0coscos sincoscossinsinsin0sincos cossincoscossinsinbxbbybz 1010sinco

32、s 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天器的喷气控制 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 GA1C2CBDHEFG1C2C11,cRa HEFBDA41,cRa 22,cRa32,cRa52,cRa61,cRa 7,0R11,cRa22,cRa32,cR

33、 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 dyT推力器jyT+-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 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 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

34、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采用脉宽调制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 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 U t E tRLJ dMt i t直流电动机动态原理图 ddddemdi

35、tU tE tRi tLtE tKttM tK i tJMtt11.2 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 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转速模式飞轮的等效模型框图 1RLsmK

36、dMMiwheKU+-+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选择zyx顺序的姿态角作为姿态参数010sincos sin0coscos sincoscossinsinsin0sincoscossincoscossinsinbxbbybz

37、 （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稳定航天器的轮控系统2.执行机构环节(1)力矩模式飞轮等效模型（2）转速模式飞

38、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1.俯仰通道设计 dyTs

39、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 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 t022sin1nytnynTAetI 00yyyyJT t 20221tan1yynTAI11.2 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00si

40、ndyyTTt20sin1sinnnAetBt 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。2.滚动-偏航通道设计0000 xxzyzzdxxxzxzyxxdzzzIIIIJTJIIIIJTJ 0000cxxxpxdxxzyzzczzzpzdxxzyxxTJKKIIIJTJKKIIIJ 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xdxpxdxzdzpzdzIKK

41、TIKKT 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TT1optcos1si

42、n2sin4cos2sinsin1cos2sin4cos2sin()cos1sin2sin4cos2sinsin1cos2sin4cos2sinDUUUsincossinsinsincossinsincoscoscoscossinsinsincossinsinsincosU按功耗最省得到的分配矩阵：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1111111111331111,1 11341 1111 11UDoo45,54.74(最佳安装角)2222222sin4cos2sincycxczhhhJ最佳安装角：*1otan254.74*22234cxcyczJh

43、hh11.2 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 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10.94770.96290.9860四个斜装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11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量

44、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2000020000 xyzBxzyBxzdxcxzyxBxzyBzxdzcxIIIhIIIhhhTTIIIhIIIhhhTT 俯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 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 sIIhIIIhsssIIIhs

45、I sIIhshsTsTsshsTsTs开环系统特征方程式为 222200 xznI Iss22001BnyxByzBxzxzhIIhIIhI II I22000220000 xyzBxzyBxzyBzyxBI sIIhIIIhsIIIhsI sIIh简写为：长周期自由运动短周期自由运动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000,轨道圆n00,章动圆偏置动量飞行器自由运动的姿态示意图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章动圆00rnrn轨道圆0zP0n11.3 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010

46、002000300040005000600070008000-4-3-2-101234偏 置 动 量 航 天 器 自 由 姿 态 运 动(滚 动-偏 航)时 间(sec)姿态角(deg)滚动角 偏航角 滚动-偏航通道的自由姿态运动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000oodHHT 00oxozdxoydyozoxdzHHTHTHHT 00cossindxdxoxssdzdzozssTTTTtTTTTt 00000000000000sin1 coscos0 cos0 sincos1sinsin0 sin0 cosoxozoxssoxozoxozozssoxo

47、zTTHttT ttHtHtTTHttT ttHtHtoxHozH0ozT0oxToxHozHoxHozH 0,0oxozHH(a)(b)(c)外干扰情况下星体角动量的运动示意图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T00bBHh忽略章动运动oxBozBHhHh,ozoxBBHHhh 0000000000000000sincossincoscossinoxsoxozsBBBBozsozoxsBBBBTTTTttttthhhhTTTTttttthhhh11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置

48、动量轮控系统的姿态稳定控制 000011xxcxxxxzyBzzzczzzxzyBxUshTKssIIIhsshUshTKssIIIhssh 控制思想：解耦控制2000020000 xyzBxzyBxzdxcxzyxBxzyBzxdzczIIIhIIIhhhTTIIIhIIIhhhTT 滚动-偏航通道姿态动力学方程 22002200 xxxxyzBdxzzzzyxBdzI sKsKIIhsTsI sKsKIIhsTsHByoyoxozoyBy1HHozox1H偏置动量三轴稳定航天器滚动-偏航角的转换 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ozox1Hoz1Hoz

49、ox1HHox 213H3HH 3 3地球oxoyH11Hbxby时的情况时的情况ozoyH21Hbzby11.3 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bzbybx偏置角动量轮滚动/偏航控制动量轮卸载bzbybx动量轮俯仰轴磁棒滚动轴磁棒偏航轴磁棒固定偏置动量轮控系统典型构型斜置喷气控制 磁力矩器控制 bzbxby1h2h 双动量轮V型构型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单自由度偏置动量轮控系统典型构型1动量轮+1反作用轮构型 bzbxbyxhyhzh框架动量轮构

50、型方案1动量轮+2反作用轮构型方案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双自由度偏置动量轮控系统典型构型bzbybx0偏置角动量轮滚动/偏航控制动量轮卸载采用推力器的固定偏置动量轮控系统结构 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KcosB1h ssinB0h cs+-cTs dzTs+dxTs s s+-B0hB1h s长周期运动姿态系统方框图 0020000200coscoscossincostgcosBoxoxoxssBBBoxozozssoxBBBBhT