航天器姿态动力学与控制李立涛PPT课件.pptx

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1、绪论第1页/共247页绪论 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第8页/共247页天线对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论第9页/共247页日本技术实验卫星7号(ETS VII)第10页/共247页对地观测卫星的姿态机动第11页/共247页章节安排第一部分 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

2、 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 章节安排第13页/共247页参考书目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

3、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1章 航天器姿态运动学第15页/共247页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地心赤道惯性坐标系第17页/共247页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轨道坐标系和星体坐标系的示意图第19页/共247页姿态参数-欧拉角基元旋转矩阵第20页/共247页姿态参数-欧拉角zxz旋转顺序第21页/共247页姿态参数-欧拉角方

4、向余弦矩阵和zxz顺序欧拉角的关系第22页/共247页姿态参数-欧拉角zxy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姿态参数-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姿态参数-欧拉角第25页/共247页姿态参数 欧拉轴/角第26页/共247页姿态参数 欧拉轴/角欧拉轴/角坐标变换示意图第27页/共247页姿态参数 欧拉轴/角第28页/共247页姿态参数 欧拉参数(姿态四元数)欧拉参数与方向余弦矩阵的关系第29页/共247页第2章 航天器姿态动力学基本方程第30页/共247页第2章 航天器姿态动力学基本方程刚体模型尖兵一号甲美国XSS-1

5、0卫星第31页/共247页探险者一号卫星单自旋准刚体模型第2章 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2章 航天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2章 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2章 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2章 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2章 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

6、2章 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2章 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2章 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2章 航天器姿态动力学基本方程第41页/共247页第2章 航天器姿态动力学基本方程第42页/共247页第3章 空间环境力矩第43页/共247页第3章 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3章 空间环境力矩中巴资源一号卫星(太阳光压力矩较大的例

7、子)第45页/共247页第3章 空间环境力矩反射类型第46页/共247页第3章 空间环境力矩第47页/共247页第3章 空间环境力矩第48页/共247页第3章 空间环境力矩大气密度分布图第49页/共247页第3章 空间环境力矩第50页/共247页第3章 空间环境力矩当地磁测坐标系的示意图 第51页/共247页第3章 空间环境力矩航天器环境力矩相对幅值第52页/共247页第4章 自旋、双自旋航天器 姿态动力学第53页/共247页第4章 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4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学美国”Lunar Prospe

8、ctor”月球探测器第55页/共247页第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学美国Clementine月球探测器第56页/共247页第4章 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4章 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4章 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4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学第60页/共247页第4章 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247页第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学扁粗体航天器的空间锥和本体锥第6

9、2页/共247页第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学细长体航天器的空间锥和本体锥第63页/共247页第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学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4章 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4章 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66页/共247页第4章 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4章 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4章 自旋、双

10、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4章 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4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学有能量耗损时的本体极迹第71页/共247页第4章 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4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学带有管球型章动阻尼器的自旋卫星第73页/共247页第4章 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4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学轴对称双自

11、旋航天器第75页/共247页第5章 重力梯度稳定航天器姿态动力学第76页/共247页(a)(b)第5章 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5章 重力梯度稳定航天器姿态动力学第78页/共247页美国子午仪一号导航卫星第5章 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5章 重力梯度稳定航天器姿态动力学第80页/共247页第6章 三轴姿态稳定航天器姿态动力学第81页/共247页第6章 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惯性轮惯性轮Dynacon MicroWheel

12、1000单框架控制力矩陀螺单框架控制力矩陀螺Astrium CMG 15-45s第83页/共247页第6章 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7章 航天器姿态确定基础第85页/共247页第7章 航天器姿态确定基础坐标系绕单参考矢量的转动第86页/共247页第7章 航天器姿态确定基础双矢量定姿中观测矢量存在误差的情况第87页/共247页第7章 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8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第89页/共247页自旋轴的赤经、赤纬第8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第90页/共247页第8章 自

13、旋、双自旋稳定航天器的姿态确定余弦定理:正弦定理:球面三角公式第91页/共247页第8章 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)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8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第93页/共247页第8章 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8章 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页地球弦宽测量几何 第8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第96页/共247页第8章 自旋、双自旋

14、稳定航天器的姿态确定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8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第98页/共247页航天器中心天球示意图 第8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第99页/共247页三体锥确定唯一姿态的几何原理图第8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第100页/共247页第8章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定用转动角确定姿态唯一解的示意图第101页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定第102页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定余弦检测器的工作原理第103页/共247页第9章 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

15、/共247页第9章 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9章 三轴稳定航天器的姿态确定CCD太阳敏感器的测量原理第106页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定单轴太阳敏感器的测量几何及数学模型第107页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定双轴太阳敏感器的测量几何及数学模型第108页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定单圆锥扫描式地球敏感器第109页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定圆锥扫描式地球敏感器的工作原理第110页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定圆锥扫描式地球敏感器的测量几何第111页/共247页第9章

16、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112页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定双地平摆动扫描地球敏感器测量原理第113页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定辐射热平衡式地球敏感器的原理第114页/共247页第9章 三轴稳定航天器的姿态确定恒星在CCD上成像的几何关系第115页/共247页第9章 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10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制第117页/共247页第10章 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

17、星-地大回路控制第10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制第119页/共247页第10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制美国Clementine月球探测器第120页/共247页第10章 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10章 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10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制第123页/共247页第10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制第124页/共247页第10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制第125页/共247页第10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制第126页/共247

18、页第11章 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11章 三轴稳定航天器的姿态控制第128页/共247页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 第129页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制 推进系统种类第130页/共247页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 第131页/共247页喷气执行机构的动态特性 第132页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制

19、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页典型的6+2姿控推力器布局图（HY-1A）11.1 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 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 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 第137页/共247页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 第138页/共247页11.1 三轴稳定

20、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11.1 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 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 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 第143页/共247页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 第144页/共2

21、47页11.1 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 第145页/共247页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 第146页/共247页11.1 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 第148页/共247页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 第149页/共247页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

22、定航天器的喷气控制 第150页/共247页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 第151页/共247页数字式相平面控制律11.1 三轴稳定航天器的喷气控制 第152页/共247页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 第153页/共247页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 第154页/共247页11.1 三轴稳定航天器的喷气控制 连续控制系统离散控制系统第155页/共247页采用脉宽调制器的喷气姿态控制系统框图脉宽调制器：11.1 三轴稳定航天器的喷气控制 第156页/共247页整

23、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第157页/共247页直流电动机动态原理图 11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第158页/共247页直流电机等效数学模型11.2 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 11.2 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 11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第161页/共247页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

24、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（2）1.姿态动力学模型(带有惯性轮的刚体)（1）飞轮控制力矩11.2 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：11.2 整星零动量三轴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.姿态确定环节结论：采用陀螺进行姿态预估时，可视为比例环节11.2 整星零动量三轴稳定航天器的

25、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第166页/共247页1.俯仰通道设计当 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控制律：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（1）脉冲干扰力矩（2）阶跃干扰力矩第168页/共247页11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统(3)周期干扰力矩结论：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

26、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第170页/共247页3正交+1 斜装构型方案11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统第171页/共247页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第172页/共247页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第173页/共247页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第174页/共247页

27、最佳安装角)最佳安装角：11.2 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10.94770.96290.9860四个斜装10.94770.96290.9860五个斜装20.991440.99500.9988六个斜装30.998730.99940.9999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第176页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制对地定向偏置动量三轴稳定航天器示意图第177页/

28、共247页俯仰通道简化动力学模型：滚动-偏航通道简化动力学模型：11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第178页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制开环系统特征方程式为 简写为：第179页/共247页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第180页/共247页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第181页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制滚动-偏航通道的自由姿态运动第182页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第183页/共247页外干扰情况下星体角动量的运动示意图11.3

29、偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第184页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制忽略章动运动第185页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制控制思想：解耦控制滚动-偏航通道姿态动力学方程第186页/共247页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第187页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第188页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制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 第189页/共247页双动量轮V型构型11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制单自由度偏置动量轮控系统典

30、型构型1动量轮+1反作用轮构型第190页/共247页框架动量轮构型方案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双自由度偏置动量轮控系统典型构型第191页/共247页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第192页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制长周期运动姿态系统方框图 第193页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制当闭环系统复域方程式第194页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制开环系统复域方程第195页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第196页/共247

31、页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制闭环系统复域方程式闭环系统特征方程式根轨迹标准形式第197页/共247页短周期运动姿态稳定系统的根轨迹图 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第198页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第199页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制固定偏置动量控制系统姿态稳定系统方框图 第200页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制滚动和偏航通道的开环传递函数：第201页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制闭环系统复域方程式第202页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制根轨迹标准形式

32、滚动通道的开环传递函数：第203页/共247页固定偏置动量控制姿态稳定系统的根轨迹图 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第204页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制当第205页/共247页11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制用伪速率控制器代替比例微分环节的控制系统框图 第206页/共247页固定偏置动量控制系统滚动-偏航姿态运动描述 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第207页/共247页用双脉冲控制来阻尼章动运动的工作原理 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第208页/共247页时作用一个脉冲后的章动半径 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第20

33、9页/共247页典型的滚动-偏航双脉冲控制器结构 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第210页/共247页用正负双脉冲消除双边极限环的原理 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制第211页/共247页11.4 姿态捕获和姿态机动控制一种典型的对地观测卫星敏感器布局示意图 第212页/共247页星体单轴转速控制框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制第213页/共247页 0-1太阳敏感的配置和安装示意图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制第214页/共247页第215页/共247页11.4 姿态捕获和姿态机动控制第216页/共247页双轴太阳敏感器的测量几何及数学模型11.4 姿态捕获和姿

34、态机动控制第217页/共247页对日定向控制单轴姿态控制原理框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制第218页/共247页消初偏控制回路框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制第219页/共247页地球捕获回路控制框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制第220页/共247页姿态稳定控制回路11.4 姿态捕获和姿态机动控制第221页/共247页偏航姿态角加速度和角速度的一种参考轨迹 11.4 姿态捕获和姿态机动控制第222页/共247页基于四元数的姿态稳定控制框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制第223页/共247页第12章 航天器姿态控制系统设计概述 12.1 12.1 航天器姿态控制系统航天器

35、姿态控制系统12.2 12.2 航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术12.3 12.3 航天器姿态控制系统设计和实现航天器姿态控制系统设计和实现12.4 12.4 航天器姿态控制系统方案设计范例航天器姿态控制系统方案设计范例 第224页/共247页12.1 航天器姿态控制系统自旋稳定飞行器原理第225页/共247页重力梯度稳定飞行器原理美国子午仪一号导航卫星12.1 航天器姿态控制系统第226页/共247页重力梯度加恒值动量轮的姿态稳定控制 重力梯度加陀螺力矩器的姿态稳定控制 12.1 航天器姿态控制系统第227页/共247页半主动自旋姿态稳定控制 半主动双自旋姿态稳定控制 12.1

36、航天器姿态控制系统第228页/共247页纯三轴喷气姿态控制系统 12.1 航天器姿态控制系统第229页/共247页偏置动量飞轮姿态控制系统 12.1 航天器姿态控制系统零动量飞轮三轴姿态控制系统 第230页/共247页一种混合姿态控制系统12.1 航天器姿态控制系统第231页/共247页12.1 航天器姿态控制系统姿控系姿控系统类型统类型名称名称指向精度指向精度姿态机动姿态机动能力能力寿命寿命被动自旋稳定110度无7-10年重力梯度稳定110度无10年半被动重力梯度+恒值飞轮0.55度无7-10年重力梯度+半被动阻尼器15度无7年半主动半主动自旋稳定0.11度有一定能力7-10年半主动双自旋稳

37、定0.11度有一定能力5-10年主动纯三轴喷气姿态稳定0.11度任意130天零动量轮控系统0.011度任意27年偏置动量轮控系统0.11度有一定能力515年混合系统分级控制/多自由控制0.011度-不同类型姿态控制系统的比较第232页/共247页12.2 航天器控制系统仿真技术航天器特点：航天器特点：环境条件恶劣、不可维修性航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术：以控制理论、计算机技术和相似原理为基础，用模型代替实物系统进行实验。航天器控制系统仿真系统分类：航天器控制系统仿真系统分类：(1)全数字仿真 (2)半物理仿真 (3)全物理仿真第233页/共247页12.2 航天器控制系统仿真技

38、术航天器姿态控制全数字仿真系统第234页/共247页12.2 航天器控制系统仿真技术卫星半物理仿真系统第235页/共247页12.2 航天器控制系统仿真技术第236页/共247页12.2 航天器控制系统仿真技术三轴气浮台全物理仿真系统 第237页/共247页12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现航天器姿态控制系统设计的目的航天器姿态控制系统设计的目的：在考虑飞行器运行环境和寿命及可靠性要求的基础上，根据控制系统部件及相关技术的发展水平，选择适当的控制系统构型，在整星的制约条件范围内，以最经济而可靠的手段满足飞行任务对飞行器姿态控制系统的功能和性能要求。姿态控制系统设计的三个阶段：姿态控制系统

39、设计的三个阶段：(1)概念研究阶段 (2)方案设计阶段 (3)技术设计阶段第238页/共247页1.概念研究阶段的任务概念研究阶段的任务 1）进行飞行任务分析，明确姿态控制系统功能和性能；2）选择姿态控制类型；3）确定姿态控制系统的基本构型；4）敏感器和执行机构的配置。5）确定飞行程序和控制模式 2.方案设计阶段的任务方案设计阶段的任务 1）选择合适的姿态控制系统部件（姿态敏感器、控制器 和执行机构）并确定其功能和性能指标；2）建立和验证姿态控制系统的数学模型；3）确定姿态确定算法并进行控制算法或控制律的设计，对系统模型进行稳定性分析和数学仿真。12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现第239

40、页/共247页3.技术设计阶段的任务技术设计阶段的任务 技术设计是在方案设计的基础上根据飞行器结构、能源、测控、热控和运载发射等技术约束条件以及飞行器总体对姿态控制系统的可靠性和安全性要求，对姿态控制系统进行技术实现的详细设计和试验。技术设计内容：技术设计内容：1)明确姿态控制系统的配置构型及各部件的技术指标；2）机、电、热接口设计 3）遥测、遥控、程控数据注入技术要求设计 4）电磁兼容性设计；5）可靠性和安全性设计；12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现第240页/共247页12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例第241页/共247页12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例中巴资源一号卫星控制要求第242页/共247页12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例第243页/共247页12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例消初偏控制回路第244页/共247页12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例地球捕获控制回路框图 第245页/共247页12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例轮控系统框图 第246页/共247页感谢您的观看。第247页/共247页