姿軌控分系統(tǒng)設(shè)計

1、第八講姿軌控分系統(tǒng)設(shè)計2,2014年3月6日,主要內(nèi)容,幾個概念 姿軌控分系統(tǒng)功能 姿態(tài)和軌道動力學(xué)基礎(chǔ) 航天器常用幾種軌道 姿態(tài)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué) 姿軌控方案要求和類型,姿軌控系統(tǒng)的組成 常用敏感器和敏感器選擇 常用執(zhí)行器和執(zhí)行器選擇 姿態(tài)確定和控制算法 地面仿真試驗驗證 仿真試驗階段劃分 測試系統(tǒng)組成 測試系統(tǒng)功能 整星集成后關(guān)注事項,6.1 姿軌控分系統(tǒng)功能和組成 1）功能 完成衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制，滿足平臺要求和載荷對姿態(tài)和軌道的要求 。 2）系統(tǒng)組成 敏感器 、執(zhí)行器和控制器三部分組成。,2020/7/10,4,測量航天器的姿態(tài)，有各種測量部件組成。通常用的有太陽敏感器、紅外地球敏感器、速

2、率陀螺、星敏感器等。不同的測量部件可組成不同的測量系統(tǒng)，達(dá)到不同的測量精度。,6.2常用敏感器和敏感器選擇,常用敏感器和敏感器選擇,敏感器選擇根據(jù)指標(biāo)要求、定姿模式以及運(yùn)行軌道確定。,（1）磁強(qiáng)計,磁強(qiáng)計是以地球磁場為基準(zhǔn)，測量航天器姿態(tài)的敏感器。磁強(qiáng)計本身是用來測量空間環(huán)境中磁場強(qiáng)度的。由于地球周圍每一點的磁場強(qiáng)度都可以由地球磁場模型事先確定，因此利用航天器上的磁強(qiáng)計測得的信息與之對比便可以確定出航天器相對于地球磁場的姿態(tài)。與其它敏感器組合定姿，適用于低軌衛(wèi)星。,（2）地球敏感器,通過敏感地球目標(biāo)的自身紅外輻射實現(xiàn)衛(wèi)星滾動和俯仰角姿態(tài)的測量，與其它敏感器組合測量偏航姿態(tài)。通過敏感地球目標(biāo)的,

3、靜態(tài)紅外地球敏感器,紅外地球敏感器工作原理,2020/7/10,9,紅外地球敏感器 地球敏感器有地球反照敏感器和紅外地球敏感器，地球 反照敏感器在航天器控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較少，而紅外地球敏 感器在航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)的姿態(tài)測量中，得到廣泛應(yīng)用。 紅外地球敏感器是對地球輻射的紅外敏感，并借此獲得航天 器相對于地球的姿態(tài)信息。紅外地球敏感器廣泛采用二氧化 碳的吸收帶（波段為1416微米）的工作波段，可以較為穩(wěn) 定地確定地球輪廓和輻射強(qiáng)度。紅外地球敏感器由光學(xué)系統(tǒng)、 探測器和處理電路組成。,2020/7/10,10,穿越式紅外地球敏感器，它的視場對地球作掃描運(yùn)動，當(dāng) 視場掃過地平時，感受到的紅外輻射功

4、率發(fā)生劇烈的變化， 發(fā)生變化時的掃描角（運(yùn)動部分繞掃描軸的轉(zhuǎn)角）是姿態(tài)的 函數(shù)。在自旋穩(wěn)定的航天器上安裝一種借助于航天器的自旋 的地球進(jìn)行掃描的穿越式的紅外地球敏感器。 輻射平衡式紅外地球敏感器，對地球邊緣某些地區(qū)的輻射 敏感并加以比較，以獲得姿態(tài)信息。它沒有活動部件，因此 常常稱為靜態(tài)紅外地球敏感器。有一種最簡單的靜態(tài)紅外地 球敏感器，能同時感受地球邊緣4個區(qū)域的紅外輻射。,2020/7/10,11,紅外地球敏感器在航天器的姿態(tài)控制中，圓錐掃描式的紅 外地球敏感器，利用基準(zhǔn)的變化和掃描寬度的變化，可以進(jìn) 行航天器的俯仰和滾動兩個方向的姿態(tài)測量，從而使一個紅 外地球敏感器起著兩個通道的作用。紅

5、外地球敏感器的測量 精度： 隨機(jī)誤差0.10(3 )； 系統(tǒng)誤差 0.050(3 )。,（3）太陽敏感器,利用太陽離地球近、亮度高、發(fā)光均勻性好等特性測量太陽矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)位置，用于衛(wèi)星對日姿態(tài)確定，與其他敏感器組合確定衛(wèi)星三軸姿態(tài),包括模擬式太陽敏感器和數(shù)字式太陽敏感器。,數(shù)字太敏,模擬太敏,模擬太敏工作原理,2020/7/10,13,太陽敏感器：太陽敏感器對太陽輻射敏感并借此獲得航天 器相對于太陽的方位。太陽敏感器按照輸出信號方式的不同， 還可分為模擬式和數(shù)字式兩種基本類型。 模擬式太陽敏感器,例如自旋穩(wěn)定衛(wèi)星廣泛使用V形縫式 太陽敏感器。它具有兩條狹縫，其中一條縫與衛(wèi)星自旋軸平 行，

6、另一條縫傾斜一個角度，構(gòu)成V型。每條縫的后面裝有 硅光電池。 數(shù)字太陽敏感器，用于三軸穩(wěn)定的航天器的姿態(tài)測量， 是由狹縫和碼盤組成。使用時都采用編碼方式。其測量精度 可以達(dá)到0.10(測量角為640)和0.050(測量角為320).數(shù)字太 陽敏感器的模型。,（4）星敏感器,以某一顆亮度高于+2可見星等的恒星為基準(zhǔn)，測量其相對于航天器的角位置，并同星歷表中該星的角位置參數(shù)進(jìn)行比較，來確定航天器的姿態(tài)。也即通過對恒星星光的敏感來測量航天器的某一個基準(zhǔn)軸與該恒星視線之間的夾角。,CCD星敏感器,CCD星敏感器原理：采用電荷耦合器件圖像列陣作為檢測器，電荷耦合器具有垂直和水平像素。CCD星敏感器與其他

7、星敏感器相比較具有非常突出的優(yōu)點。它能夠同時跟蹤多顆星，對磁場不敏感，精度得到改善。 CCD星敏感器被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的星敏感器，我國目前也正在積極地發(fā)展這一技術(shù)。,2020/7/10,15,星敏感器 星敏感器是對恒星輻射敏感，并借此獲得航天器相對于 地球的姿態(tài)信息的光學(xué)敏感器。它是通過對恒星輻射的敏感 來測量后天器中某一個基準(zhǔn)軸與已知恒星的視線之間的夾角， 由于恒星遠(yuǎn)離地球和航天器，故恒星的張角非常小 （0.040.005 ）,因此星敏感器測量精度很高，比太陽敏感 器高一個數(shù)量級，適用于航天器的高精度姿態(tài)控制。星敏感 器分為星圖儀和星跟蹤器。,（5）陀螺,星上唯一測量衛(wèi)星慣性姿態(tài)角速度敏感

8、器。 種類：動調(diào)陀螺、液浮陀螺、光纖陀螺等。,光纖陀螺,光纖陀螺優(yōu)點：精度高，且零偏隨溫度變化小。,2020/7/10,17,慣性敏感器（陀螺儀）： 慣性敏感器是利用慣性原理工作的，它有兩個重要特性： 定軸性：其高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子具有力圖保持其旋轉(zhuǎn)軸在慣性空 間內(nèi)的方向穩(wěn)定不變的特性；轉(zhuǎn)子角動量即矢量H是繞自旋 軸的轉(zhuǎn)動慣量J和自旋角速度的乘積(H=J)。進(jìn)動性：在外力 矩作用下，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子力圖使其旋轉(zhuǎn)軸沿最短的路徑趨向外 力矩的作用方向。干擾力矩引起轉(zhuǎn)子進(jìn)動角速度稱為陀螺的 漂移率。慣性敏感器有滾珠軸承自由陀螺儀、液浮陀螺儀、 靜電陀螺儀、撓性陀螺儀、激光陀螺儀以及逐漸成為實用的 光導(dǎo)纖維陀螺儀

9、。液浮速率積分陀螺組件，測量范圍為40/s， 隨機(jī)漂移0.30/h(1 )。,6.3常用執(zhí)行器和執(zhí)行器選擇,(1)反作用飛輪 控制力矩小，精度高。 (2)推力器 控制力大，常用軌控。 (3)磁力矩器 控制力矩小，與地磁場作用產(chǎn)生控制力矩，常用反作用飛輪卸載。,2020/7/10,19,控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)：推力器：冷氣（氮氣）系統(tǒng)和肼系 統(tǒng)、偏置動量輪加磁控（磁力矩器）、零動量控制（反作用 飛輪）。作為長壽命衛(wèi)星，一般情況下使用反作用飛輪或者 偏置動量輪加磁控（磁力矩器）。肼系統(tǒng)是在遇到比較大的 擾動才使用，如航天器入軌和大的活動部件的展開等情況。 航天器在軌道上基本上是用輪控的途徑實現(xiàn)控制。

10、中心計算機(jī)是根據(jù)敏感器測量的信息，對信息進(jìn)行處理后， 按照給定的控制規(guī)律產(chǎn)生或發(fā)出控制指令，,（1）反作用飛輪,根據(jù)“動量矩守恒”原理，改變安裝在航天器上的高速旋轉(zhuǎn)剛體的動量矩，從而產(chǎn)生與剛體動量矩變化率成正比的控制力矩，作用于航天器上使其動量矩相應(yīng)變化，這種過程稱為動量交換。實現(xiàn)這種動量交換的裝置稱為飛輪或飛輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)，飛輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能用于航天器的姿態(tài)控制。,反作用飛輪,（2）推進(jìn)組件,根據(jù)牛頓第二定律，利用質(zhì)量噴射排出，產(chǎn)生反作用推力，這也正是這種裝置被稱為推力器或噴氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原因。當(dāng)推力器安裝使得推力方向通過航天器質(zhì)心，則成為軌道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；而當(dāng)推力方向不過質(zhì)心，則必然產(chǎn)生相對航天器

11、質(zhì)心的力矩，成為姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,質(zhì)量排出型推力器,（3）磁力矩器,磁力矩器就是通電線圈，通電線圈產(chǎn)生的磁矩與地球磁場相互作用就可產(chǎn)生控制力矩，實現(xiàn)姿態(tài)控制。當(dāng)兩者互相垂直時，磁力矩最大；當(dāng)兩者相互平行時，磁力矩為零。,磁力矩器,6.4定姿和控制算法,敏感器組合完成姿態(tài)確定方案 太敏+地敏+陀螺； 太敏+磁強(qiáng)計+陀螺； 星敏感器+陀螺 地敏+磁強(qiáng)計+陀螺,雙矢量定姿,姿態(tài)控制算法,推力器繼電特性,推力器相平面控制,反作用輪PD控制器,姿態(tài)控制算法,比例：提高精度和響應(yīng)時間 微分：阻尼，影響超調(diào)量 積分：消除靜差,磁力矩器卸載算法,反作用輪卸載,6.5地面試驗驗證方案,數(shù)學(xué)仿真試驗； 星載控制

12、器閉環(huán)試驗； 半物理仿真試驗。,（1）數(shù)學(xué)仿真試驗,分系統(tǒng)方案正確性； 各種定姿和控制算法是否滿足指標(biāo)要求； 故障及排除故障的對策模擬研究； 敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型正確性； 在不同工作模式單機(jī)協(xié)同工作的匹配性，模式切換正確性和合理性； 找出設(shè)計缺陷，為后續(xù)工作提出優(yōu)化方案。,（2）星載控制器閉環(huán)試驗,驗證星載計算機(jī)運(yùn)算處理能力； 與數(shù)學(xué)仿真結(jié)果比對，優(yōu)化控制器參數(shù)； 找出設(shè)計缺陷，為后續(xù)工作提出優(yōu)化方案。,（3） 半物理仿真試驗,姿軌控分系統(tǒng)方案正確性； 驗證單機(jī)閉環(huán)后算法和姿軌控分系統(tǒng)各項功能和性能指標(biāo)； 對單機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行閉路檢驗，考核單機(jī)接口、功能和性能指標(biāo)； 對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障及排除故

13、障的對策進(jìn)行模擬研究； 驗證星載計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和對姿軌控支持功能； 驗證敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型正確性； 驗證在不同工作模式下姿軌控分系統(tǒng)單機(jī)協(xié)同工作的匹配性； 進(jìn)行姿軌控分系統(tǒng)模飛； 找出設(shè)計缺陷，確定技術(shù)狀態(tài)。,（4）單機(jī)精度測試與標(biāo)定,陀螺性能測試： 測量范圍、測量精度、常值漂移、零偏重復(fù)性、零偏穩(wěn)定性、標(biāo)度因數(shù)、標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性、標(biāo)度因數(shù)隨溫度變化、零偏隨溫度變化等。,（5）單機(jī)精度測試與標(biāo)定,星敏感器精度、更新率； 星敏感器軟件功能等。,（6） 單機(jī)精度測試與標(biāo)定,太陽敏感器精度； 太陽敏感器視場、軟件功能等。,（7） 單機(jī)精度測試與標(biāo)定,紅外地球敏感器精度； 敏感器視場、軟件功能等。,（8）單機(jī)精度測試與標(biāo)定,反作用飛輪性能測試： 輸出力矩、損耗力矩、摩擦力矩、力矩系數(shù)、過零特性等。,（9）半物理仿真試驗,6.6整星集成后關(guān)重主要事項,單機(jī)極性； 單機(jī)性能； 在試驗過程中工作狀態(tài)； 推進(jìn)系統(tǒng)檢漏等。,39,3.7 姿軌控功能鏈,衛(wèi)