无陀螺卫星的非线性姿态估计算法及仿真研究

无陀螺卫星姿态模型的强非线性会严重降低常用滤波器的精度和收敛性,在初始误差较大的情况下甚至会导致姿态估计失败,针对该问题,引入一种新的非线性估计算法。该算法利用迭代数值方法解决了当前和过去采样点的非线性平滑问题,保留了当前采样点之前一定数量阶段的所有非线性特性,而没有进行任何近似。为提高计算速度,分析了影响计算速度的原因,并给出加速计算的方法。通过无陀螺卫星的姿态估计仿真,结果证明,新算法能在较大初始状态误差和卫星动力学模型高度不确定性的情况下,对无陀螺卫星姿态角和角速度的估计具有显著的收敛性和精度。

复杂运动的线性姿态逼近及插补计算

为使用基于线性姿态运动的多面体连续时间干涉检测算法 ,提出了将任意复杂运动按一定的允差划分为分段线性姿态运动的算法 。

充液柔性航天器非线性姿态动力学及再定向姿态机动

研究全充液柔性航天器大角度姿态机动中非线性姿态动力学及姿态再定向问题.采用Lagrange方法推导了液-柔耦合系统动力学方程并对系统进行了相空间动力学研究.由于能量耗散及柔性附件振动对系统产生扰动并由此引起混沌姿态运动,经历姿态转换后的航天器最终姿态定向不能预先确定.本文研究表明,通过一对互为反向的脉冲推进可以完成预期的姿态再定向机动.给出了实现姿态再定向机动的控制策略,并对控制前后的姿态本体轨迹及主角动量分量时间响应历程进行了数值仿真.

运载器末助推段非线性姿态控制器设计

根据单摆模型近似晃动质量推导晃动运动与姿态运动的动力学方程,基于状态相关黎卡提方程方法,综合动态逆控制方法设计了运载器末助推段非线性姿态控制器,由状态反馈实现姿态跟踪和晃动抑制。因实际中模拟晃动运动的单摆状态无法测量,引入输出多采样率技术,通过在一个采样周期内多次检测被控对象的输出估计状态,实现设计的状态反馈控制律。数值仿真结果表明:控制器能实现高精度姿态角跟踪和晃动抑制。

基于无源性的鱼雷非线性姿态系统滑模控制

将鱼雷纵向姿态系统的非线性模型转换为具有能量函数的广义哈密顿正则型(GHCF),建立了控制律的设计方案。基于系统无源性分析方法设计了变结构滑模控制律,将切换函数作为输出,给出了新的滑模面设计条件,只需考虑在滑模面上的稳定性。该方法完全利用系统的非线性特性,通过无源性理论分析了滑模控制的可达性,而滑模控制能够提高鱼雷姿态系统的控制性能。仿真结果表明,实现了对鱼雷非线性姿态系统的滑模控制,且控制性能良好。

最优递归线性姿态估计算法

最优线性姿态估计算法以罗格里斯参数作为姿态描述,具有计算量小、精度高等优点。但它是一种基于单点信息的估计算法。提出一种递归思想,整合当前时刻以及历史时刻的多点测量信息,根据最优判定函数建立不同时间节点上测量数据间的数学模型关系,对单点算法中的关键元素M和z进行迭代设计,并由此推导出一种新的递归姿态估计算法。仿真结果表明,最优递归线性姿态估计算法在航天器稳定慢速机动的情况下,解算精度要显著优于单点的最优线性姿态估计算法。

CCD噪声模型在几何最优线性姿态估计中的应用

星敏感器噪声主要来源于CCD图像传感器和控制与数据处理电路,这些噪声对姿态估计精度的影响不容忽视。在研究了CCD图像传感器中光子散粒噪声、暗电流噪声、电荷转移噪声及读出噪声四种主要噪声的基础上,分析了它们对亚像元质心法提取精度的影响。根据亚像元质心法提取结果,采用几何解析的最优线性姿态估计(OLAE)方法解算卫星姿态。仿真结果表明:考虑星敏感器噪声模型比单纯引入高斯白噪声具有更高的姿态估计精度。

基于罗格里斯参数的航天器递归线性姿态估计算法

针对航天器姿态确定问题提出了一种新的递归线性估计算法。首先采用罗格里斯参数描述姿态,介绍了基于几何方法得到的非递归线性姿态估计算法。其次,引入历史测量数据,根据姿态旋转关系,获得了递归线性估计算法。进一步引入遗忘因子,对历史测量数据和当前测量数据进行权衡,得到了加权递归线性估计算法。数值仿真结果表明,所提出的递归姿态估计算法比非递归姿态估计算法具有更高的精度,在一定范围内遗忘因子越小,姿态估计精度越高。

顾及姿态线性误差的微小卫星面阵影像在轨几何检校

微小卫星由于平台体积、重量、能源等限制,其上搭载的姿态、位置测量设备精度不高,导致其直接对地定位误差较大。通过对某微小卫星嵩山地区的多景面阵影像进行姿态角常差检校,发现姿态角系统误差随时间线性变化的规律。为了提高定位精度,本文提出一种针对面阵的顾及姿态线性误差的偏置矩阵和二维探元指向角几何检校模型。相对于传统的姿态角常差检校模型,本文方法考虑了姿态角系统误差随时间线性变化的规律。试验结果表明,经过内外方位元素检校后,卫星的定位精度从数十千米提升到十米以内,相对于传统的常差模型,本文提出的检校模型有效地消除了姿态随时间线性变化的系统误差。

基于改进PD的LESO四旋翼控制算法

针对四旋翼飞行器非线性、强耦合及易受外界干扰引起姿态不稳定问题,设计了一种改进PD的线性扩张状态观测器(LESO)控制器。通过在PD算法的微分环节中加入一阶惯性环节,构成不完全微分控制,提高飞行系统的控制性能。利用LESO将控制系统中的内外部扰动进行估计并补偿到原系统中,不仅能减少系统误差,还能增强控制系统的抗干扰能力,提高系统鲁棒性及稳定度。通过MATLAB仿真表明,提出的改进PD的LESO控制器能够快速达到稳定状态,有效提高四旋翼飞行器姿态的稳定控制能力,超调量更小、控制效果更佳,相比于常规的PID控制器,具有更高的鲁棒性和自适应能力。

基于SO(3)空间的线性自抗扰姿态控制方法

针对四旋翼飞行器姿态控制中非线性、强耦合及对扰动敏感的问题,提出了一种SO(3)线性自抗扰姿态控制方法,该方法可以克服传统欠驱动四旋翼控制方法中存在的抗干扰能力弱、系统建模误差对跟踪性能影响较大等弱点。基于SO(3)空间建立了四旋翼无人飞行器的非线性数学模型,避免了使用Euler角表示姿态时的奇异点问题,从而简化了控制器设计。在基于SO(3)空间非线性数学模型的基础上,提出了一种结合比例微分和线性扩展状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法,该方法参数整定更简单。对提出的姿态控制器进行了实验验证,实验结果表明:采用该方法后,四旋翼飞行器能够在受到外界扰动后迅速稳定姿态,其俯仰角和横滚角的稳态偏差小于1°,提高了四旋翼飞行器的抗干扰能力。

Nonlinear Rolling Control Technology of Liquid Launch Vehicle Based on Single Engine

New program was proposed in LM-6 rolling control technology that using high-pressure staged combustion gas. Launch vehicle rolling control by just one engine was realized. Under the limit of the rolling control moment of the launch vehicle, a new attitude dynamic model is established. Interference source and how to reduce the effect was analyzed, and method of designing a pre-compensated robust controller was proposed. Simulation and flight resuits showed that the attitude dynamic model established and the pre-compensation robust controller proposed in this paper could solve the key problems with a strong coupling attitude controller, and realize high quality and high reliability control in wind areas, and improve the capability of the launch vehicle.