“嫦娥二号”卫星L2点角动量管理

对"嫦娥二号"(CE-2)卫星进入环绕日地拉格朗日L2点的李萨如轨道后卫星喷气卸载所产生的影响进行了研究。提出了一种利用光压力矩辅助卫星太阳电池翼角度调整进行角动量管理的方法。在轨试验表明,太阳光压强度足够对飞行在L2点环绕轨道上的CE-2卫星进行角动量管理,可以大幅度减少动量轮在轨喷气卸载的次数,有利于CE-2卫星的轨道维持。

空间站组合体惯性系内角动量管理控制

针对惯性系内重力梯度力矩与气动力矩的常值部分积累引起控制力矩陀螺饱和的问题,在惯性系内建立空间站的动力学模型并进行线性化,利用滤波变量将系统状态方程扩维,采用LQR方法设计系统反馈控制增益矩阵,实现空间站在惯性系内的角动量管理控制.惯性系内重力梯度力矩、气动力矩由轨道角速度整数倍的频率成份构成,可以根据实际情况增加抑制不同频率成份的滤波变量,用于抑制不同频率成份干扰力矩对空间站姿态或控制力矩陀螺角动量的干扰,从而使空间站长期在惯性系内飞行而不需要进行角动量的卸载.仿真验证了控制器的性能.

基于角动量管理的空间站惯量矩阵设计

控制力矩陀螺(CMG)角动量管理对空间站的姿态控制非常重要,针对两类典型姿态模式,即"和平"号空间站的"相对太阳定向模式"和国际空间站的"角动量管理模式",从角动量管理的角度研究姿态模式对空间站惯量矩阵设计的约束,结果表明:相对太阳定向模式期望三轴主惯量相差足够小,从而重力梯度力矩的影响较小;而角动量管理模式下的动态力矩平衡姿态则期望三轴主惯量相差足够大,从而可以产生足够的重力梯度力矩来平衡气动力矩的影响。

轮系航天器的角动量包络分析及角动量管理

文章进行了冗余轮系航天器角动量包络分析及角动量管理问题研究。基于轮系可视化角动量包络分析,提出了一种角动量包络特征参量描述及基于特征参量的沿任意方向飞轮极限角动量的解算方法,并设计了一种基于以飞轮极限角动量为参考的零运动力矩分配轮系角动量管理策略,该方法充分利用轮系最大角动量容量,以避免系统角动量未达到包络面时出现部分飞轮角动量饱和的现象,数学仿真对比验证了所提出策略的有效性。

轨控大干扰下的系统角动量管理

针对利用角动量交换装置系统实现轨控期间姿态维持的情况,研究当轨控推力器存在大力矩扰动时系统角动量管理方法.结合对地运行航天器轨道运动特性,分析轨控干扰力矩的积累角动量变化规律;考虑角动量管理装置系统的角动量存贮容量,基于角动量积累规律提出了一种结合偏置角动量建立与对称分布轨控位置选择的系统角动量管理方法,实现了对称轨控位置积累角动量互相抵消的自平衡效果,极大程度地提高轨控效率且避免系统角动量饱和现象.所提出的方法适用于喷气欠驱动控制系统,方法的有效性通过了数学仿真验证及在轨型号应用.

嫦娥五号飞行试验器服务舱环月期间的角动量管理

对环月地轨道环绕卫星所受重力梯度力矩进行了分析.在分析的基础上,利用在轨飞行数据得到卫星实际质量特性,并设计俯仰姿态偏置的方法,实现卫星重力梯度配平.通过嫦娥五号服务舱的实际在轨飞行,证明重力梯度配平方法可以降低星体所受重力梯度力矩,达到延长卸载周期的目的.

基于参数辨识的大型航天器自适应角动量管理

航天器姿态控制/角动量管理(ACMM)通过调整航天器姿态使引起控制力矩陀螺(CMG)角动量积累的扰动力矩相互抵消,从而有效减小用于CMG卸载的燃料消耗.设计的基于在线参数辨识的自适应ACMM控制器由在线参数辨识回路和反馈线性化回路构成.反馈线性化回路通过状态变换以及相应的输入变换,将原ACMM系统精确等价为一线性系统,通过线性控制器的设计得到适用于原系统的非线性控制律.在线辨识回路利用闭环控制信息对航天器质量特性进行辨识,弥补了反馈线性化对系统模型参数敏感的不足.以空间站组合体舱段转移任务为例进行的数学仿真显示,控制器在力矩平衡姿态(TEA)远离对地定向姿态时具有良好控制性能.

基于极点配置的空间站角动量管理

针对惯性系下引力梯度力矩及其他干扰力矩引起控制力矩陀螺(CMG)角动量积累的问题,采用引力梯度力矩来平衡姿态,设计了基于极点配置的空间站角动量管理控制器。首先在惯性系下建立了空间站线性化模型,并分析了俯仰轴方向在惯性系角动量管理的不可行性。由此,将俯仰轴与滚动/偏航轴解耦,不约束俯仰轴方向的CMG角动量,将常值、1倍和2倍于轨道频率的扰动纳入状态方程以抑制其对俯仰轴姿态的影响。在滚动/偏航轴方向将常值扰动纳入状态方程中以抑制其对CMG角动量的影响;将1倍、2倍于轨道频率的扰动纳入到状态方程中以抑制其对姿态的影响。然后采用带极点配置的线性二次型(LQR)算法求解出反馈增益矩阵,该算法可以避免选取权重矩阵,并且根据系统性能要求即能将闭环极点配置到复平面虚轴左侧指定的区域。最后仿真结果验证了该算法的可行性。

基于LMI的空间站角动量管理控制器多级设计

针对空间站在轨飞行中引力梯度力矩和气动力矩常值部分带来的控制力矩陀螺角动量积累问题,建立了线性化动力学模型,并引入滤波变量将系统扩维以抑制常值以及一倍、二倍于轨道频率的干扰对姿态的影响;同时为避免传统线性二次型算法中加权矩阵选择困难和解决高维系统一次性求取反馈增益阵时遇到的数值奇异问题,将基于符号矩阵的系统解耦与线性矩阵不等式多目标约束算法结合,进行控制器的多级设计,使闭环极点配置到指定梯形区域内以满足动态和稳态性能要求,且使得不确定系统具有一定的鲁棒性。仿真结果表明了控制器的有效性。

嫦娥四号中继星角动量管理策略设计及应用

嫦娥四号中继星在Halo轨道运行期间角动量卸载会对轨道构型产生扰动。本文研究了嫦娥四号中继星动量轮主动调姿卸载对使命轨道构型保持的作用,设计了中继星角动量管理策略。通过对角动量变化率建模,结合短期遥测数据,提出了一种基于微分修正的角动量变化预估方法。给出了中继星调姿卸载计算方法以及姿态机动过程中是否发生卸载的验证方法。针对嫦娥四号着陆器、巡视器处于月球日不同情况,给出了中继星姿态调整和调姿卸载策略。工程应用表明中继星角动量变化预估方法误差较小,根据角动量管理策略调姿卸载可以降低轨道维持频率,策略有效,具有工程可行性。

一种使用磁力矩器管理双自旋航天器角动量的方法

针对一种新型采用双自旋设计进行对地遥感任务的航天器,提出了一种使用磁力矩器对旋转载荷角动量进行管理的方法。使用旋转载荷固连正交安装的三只磁力矩器,在旋转过程中连续输出周期性变化的磁矩,使自转一周过程中产生的合角动量方向仅沿自转轴方向,避免在其他两轴方向产生角动量累积。该方法在工程上可行性好,仿真结果表明旋转载荷角动量持续保持在期望值附近,不随时间累加。

轨道摄动对航天器角动量管理的影响和补偿

三轴主惯量接近的航天器长期在轨采用惯性系的角动量管理,使用垂直于轨道面的某一主惯性轴为Y轴,建立参考的惯性系进行控制器设计,轨道摄动使轨道长周期项与时间呈近似线性关系,导致控制器输出线性累加.针对此问题,分析轨道摄动导致控制律失效的原因,参考内模原理扩维方程,重新设计最优控制方法进行惯性系的角动量管理.通过半物理仿真表明了摄动补偿方法的可行性,且角动量和姿态长期稳定性均优于补偿前.

基于气动力矩和模型预测的LEO卫星角动量管理算法

为抑制气动力矩对近地轨道(LEO)卫星姿态控制系统的影响,改善卫星电磁环境,设计一种基于气动力矩和模型预测的LEO卫星角动量管理算法,利用气动力矩管理卫星角动量并通过磁力矩器辅助提高角动量管理效率和可靠性.利用所设计的角动量管理算法构建卫星姿态动力学的线性化模型和姿态控制律,预测角动量变化趋势;通过在卫星太阳阵常规运动上附加额外的小角度偏转,将LEO卫星主导摄动力矩的气动力矩转化为管理卫星角动量的控制力矩.仿真实验表明,与传统的角动量管理策略相比,所设计的角动量管理算法通过将气动力矩转化为角动量管理控制力矩,能够有效节省卫星角动量管理的消耗.此外,该算法在不增加物理机构的前提下可以作为卫星的备用角动量管理策略,能够显著增强卫星姿态系统的可靠性和鲁棒性.

基于角动量空间的SGCMGs姿态控制策略

针对单框架控制力矩陀螺(SGCMGs)的奇异问题,旨在建立一种基于角动量空间而非力矩空间的SGCMGs姿态控制策略,从根源上解决SGCMGs的操纵奇异,且不失其敏捷特性.由于此控制方案的动量管理环节需要另外一套动量交换机构参与,故引入反作用飞轮(RWs)组成混合执行机构,同时RWs可在机动末端用于高精度姿态稳定.针对双平行SGCMGs,采用特征轴时间最优路径进行角速度规划,并基于角动量空间设计控制策略.同时,针对一个陀螺失效的情况设计了相似的角动量控制算法.仿真结果表明,采用角动量控制律不涉及奇异问题,且敏捷性与稳定性良好.

偏置动量卫星东西位置保持策略优化方法

针对偏置动量卫星的特点,提出了一种偏置动量卫星东西位置保持策略优化方法。根据单自由度轮控系统的控制方式、角动量管理的控制方法,以及角动量管理对卫星轨道的影响,基于动量轮转速的变化建立了推力器喷气效率、轨道元素变化量计算模型,提出了可延长东西位置保持周期的轨道控制优化策略。实际轨控任务应用结果表明方法控制效果良好。

单侧大帆板卫星对日姿态轨迹优化及跟踪控制

为了减小单侧大帆板卫星长时间对日巡航模式下气动力矩和引力梯度力矩所造成的三轴角动量积累,对该卫星进行对日姿态轨迹优化及跟踪控制研究.建立单侧大帆板卫星的动力学模型和运动学模型;利用高斯伪谱法得到使三轴角动量积累最小的期望姿态轨迹;为使卫星在惯量矩阵不确定和未知干扰力矩的影响下能够跟踪期望姿态轨迹,设计了自适应滑模控制律.该控制律利用自适应律对控制增益进行调节,无需事先确定系统不确定性的上界.仿真结果表明:所设计的控制律能够实现卫星的对日姿态跟踪;相比常用的对日基准坐标系,优化得到的姿态轨迹能够明显减少卫星三轴角动量的积累.

航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究

针对航天器抓捕后由于系统质量特性和动量的改变而导致复合体系统失稳的问题,提出了两种基于角动量守恒的协调控制方法:关节阻尼控制和关节函数参数化协调控制。这两种方法通过对各关节和飞轮的速度进行协调规划和控制,实现对系统角动量的管理和重分配,在实现对目标进行停靠的同时,保证了基座的稳定性。两种方法各有优缺点,其中,关节函数参数化在实现系统稳定的同时还可使机械臂处于期望的臂型,以方便开展在轨维修等服务操作。所提出的方法将实际飞轮作为动量交换装置,具有很好的工程可实现性。仿真结果验证了方法的有效性。

使用混合执行机构的快速机动卫星力矩分配算法

针对单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)存在奇异和单框架控制力矩陀螺(SGCMG)存在框架转速死区的问题,研究了SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法,以SGCMG功耗、飞轮功耗和飞轮角动量的二次型加权矩阵求和为性能指标,提出了一种形式简洁的混合执行机构力矩分配算法,通过分析,证明该分配算法能够有效的避免SGCMGs的奇异;设计了一种SGCMG功耗加权矩阵的调节策略,解决了SGCMG陷入转速死区的问题,设计了一种飞轮角动量加权矩阵的调节策略,通过对加权矩阵的实时调节实现了对飞轮角动量的管理,解决了飞轮转速的饱和与过零问题。数学仿真结果验证了该力矩分配算法的有效性。