航天器姿態(tài)動力學(xué)與控制——李立濤.ppt

1、航天器姿態(tài)動力學(xué)與控制,講授教師：李立濤 學(xué)科專業(yè)：飛行器設(shè)計(jì),緒論,緒論,單自旋穩(wěn)定航天器,雙自旋穩(wěn)定航天器,風(fēng)云二號衛(wèi)星,QuickBird衛(wèi)星,對地定向衛(wèi)星(氣象衛(wèi)星、資源、偵查衛(wèi)星等),哈勃太空望遠(yuǎn)鏡,對天體定向的航天器,嫦娥一號衛(wèi)星(三體定向),對其他衛(wèi)星跟蹤和定向的航天器,緒論,天線對其他衛(wèi)星跟蹤和定向的航天器,緒論,日本技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星7號(ETS VII),對地觀測衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動,章節(jié)安排,第一部分 航天器姿態(tài)動力學(xué) 緒論 第1章 航天器姿態(tài)運(yùn)動學(xué) 第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程 第3章 空間環(huán)境力矩 第4章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)動力學(xué) 第5章 重力梯度穩(wěn)定航天器的姿態(tài)動力學(xué)

2、 第6章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)動力學(xué),緒論,第二部分 航天器姿態(tài)控制 第7章 航天器姿態(tài)確定基礎(chǔ) 第8章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)確定 第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定 第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制 第11章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)控制 第12章 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述,緒論,章節(jié)安排,參考書目,1. 空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng) 楊大明編著.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2002 2.衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與控制 屠善澄主編. 宇航出版社, 2001 3. 衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學(xué)與控制 章仁為編著. 北京航空航天大學(xué)出版社, 1998 4.空間飛行器飛行動力學(xué) 劉暾、趙均著。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,200

3、3 5. 空間飛行器動力學(xué)與控制 卡普蘭著.北京:科學(xué)出版社,1981,緒論,第1章 航天器姿態(tài)運(yùn)動學(xué),航天器常用坐標(biāo)系,黃道、赤道、春分點(diǎn),航天器常用坐標(biāo)系,地心赤道慣性坐標(biāo)系,航天器常用坐標(biāo)系,地心赤道旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,航天器常用坐標(biāo)系,軌道坐標(biāo)系和星體坐標(biāo)系的示意圖,姿態(tài)參數(shù)-歐拉角,基元旋轉(zhuǎn)矩陣,姿態(tài)參數(shù)-歐拉角,zxz旋轉(zhuǎn)順序,姿態(tài)參數(shù) - 歐拉角,方向余弦矩陣和zxz順序歐拉角的關(guān)系,姿態(tài)參數(shù) - 歐拉角,zxy旋轉(zhuǎn)順序,2. 方向余弦矩陣和zxy順序的歐拉角的關(guān)系,姿態(tài)參數(shù) - 歐拉角,3. 方向余弦矩陣和zyx順序的歐拉角的關(guān)系,姿態(tài)參數(shù) - 歐拉角,姿態(tài)參數(shù) 歐拉軸/角,姿態(tài)參數(shù)

4、歐拉軸/角,歐拉軸/角坐標(biāo)變換示意圖,姿態(tài)參數(shù) 歐拉軸/角,姿態(tài)參數(shù) 歐拉參數(shù)(姿態(tài)四元數(shù)),歐拉參數(shù)與方向余弦矩陣的關(guān)系,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,剛體模型,尖兵一號甲,美國XSS-10衛(wèi)星,探險(xiǎn)者一號衛(wèi)星,單自旋準(zhǔn)剛體模型,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,實(shí)踐一號甲,東方紅二號,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,雙自旋準(zhǔn)剛體模型,雙自旋陀螺體模型,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,多剛體模型,美國QuickBird衛(wèi)星,剛體-撓性體混合系統(tǒng),風(fēng)云一號,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,剛體-撓性體-液體的混合系統(tǒng),美國TDRS衛(wèi)星,第2章 航天器

5、姿態(tài)動力學(xué)基本方程,日本Jers-2衛(wèi)星,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,剛體-撓性體-液體的混合系統(tǒng),日本ETS VII衛(wèi)星,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,多剛體-撓性體-液體的混合系統(tǒng),日本ETS VIII衛(wèi)星,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,剛體-撓性體-液體的混合系統(tǒng),大 型 撓 性 體 系 統(tǒng),第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,大型撓性空間結(jié)構(gòu)(太陽帆),第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,第2章 航天器姿態(tài)動力學(xué)基本方程,第3章 空間環(huán)境力矩,第3章 空間環(huán)境力矩,美國子午導(dǎo)航衛(wèi)星(重力梯度衛(wèi)星),第3章 空間環(huán)境力矩,中巴資源一號衛(wèi)星(太陽光壓力矩較大的例子),第3章 空間

6、環(huán)境力矩,反射類型,第3章 空間環(huán)境力矩,第3章 空間環(huán)境力矩,第3章 空間環(huán)境力矩,大氣密度分布圖,第3章 空間環(huán)境力矩,第3章 空間環(huán)境力矩,當(dāng)?shù)卮艤y坐標(biāo)系的示意圖,第3章 空間環(huán)境力矩,航天器環(huán)境力矩相對幅值,第4章 自旋、雙自旋航天器 姿態(tài)動力學(xué),第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),東方紅-1號衛(wèi)星,伽利略木星探測器,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),美國”Lunar Prospector”月球探測器,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),美國Clementine月球探測器,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),國際通信衛(wèi)星IV,國際通信衛(wèi)星VI,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動

7、力學(xué),東方紅二號試驗(yàn)通信衛(wèi)星,東方紅二號試驗(yàn)通信衛(wèi)星甲,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),自旋體的本體錐,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),扁粗體航天器的空間錐和本體錐,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),細(xì)長體航天器的空間錐和本體錐,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),自旋航天器在慣性空間的運(yùn)動,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),能量橢球和角動量橢球的交線(本體極跡),第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),一般剛體自由姿態(tài)運(yùn)動的本體極跡,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),不變平面

8、和不變線的定義,Poinsot橢圓在不變平面上的無滑動滾動,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),推力傾斜的自旋航天器,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),帶有姿控推力器的自旋航天器,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),美國探險(xiǎn)者一號衛(wèi)星,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),有能量耗損時(shí)的本體極跡,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),一般準(zhǔn)剛體的姿態(tài)動力學(xué)模型,注：美國“伽利略”號木星探測器采用的動力學(xué)模型,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),帶有管球型章動阻尼器的自旋衛(wèi)星,第4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),InterSat-IV 通信衛(wèi)星,InterSat-III 通信衛(wèi)星,第

9、4章 自旋、雙自旋航天器姿態(tài)動力學(xué),軸對稱雙自旋航天器,第5章 重力梯度穩(wěn)定航天器姿態(tài)動力學(xué),(a),(b),第5章 重力梯度穩(wěn)定航天器姿態(tài)動力學(xué),平面運(yùn)動的相軌跡,第5章 重力梯度穩(wěn)定航天器姿態(tài)動力學(xué),美國子午儀一號導(dǎo)航衛(wèi)星,第5章 重力梯度穩(wěn)定航天器姿態(tài)動力學(xué),重力梯度加恒值動量輪,第5章 重力梯度穩(wěn)定航天器姿態(tài)動力學(xué),第6章 三軸姿態(tài)穩(wěn)定航天器姿態(tài)動力學(xué),第6章 三軸姿態(tài)穩(wěn)定航天器姿態(tài)動力學(xué),慣性輪,框架動量輪,11.2 采用角動量交換裝置的姿態(tài)控制系統(tǒng),慣性輪 Dynacon MicroWheel 1000,單框架控制力矩陀螺 Astrium CMG 15-45s,第6章 三軸姿態(tài)穩(wěn)定

10、航天器姿態(tài)動力學(xué),帶有多個(gè)慣性輪的三軸穩(wěn)定航天器示意圖,第7章 航天器姿態(tài)確定基礎(chǔ),第7章 航天器姿態(tài)確定基礎(chǔ),坐標(biāo)系繞單參考矢量的轉(zhuǎn)動,第7章 航天器姿態(tài)確定基礎(chǔ),雙矢量定姿中觀測矢量存在誤差的情況,第7章 航天器姿態(tài)確定基礎(chǔ),平臺慣導(dǎo)的穩(wěn)定平臺,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,自旋軸的赤經(jīng)、赤緯,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,余弦定理:,正弦定理:,球面三角公式,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,球面直角三角公式 (10個(gè)常用公式),1.已知一直角邊及其鄰角，求該角對應(yīng)的直角邊,V型狹縫式太陽敏感器的測量幾何,第8章

11、自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,常用的V型狹縫式太陽敏感器的測量幾何,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,自旋掃描式紅外地球敏感器測量原理圖,地球弦寬測量幾何,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,星體對地球的視角半徑,雙錐相交法示意圖,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,航天器中心天球示意圖,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,三體錐確定唯一姿態(tài)的幾何原理圖,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,第8章 自旋、雙自旋穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,用轉(zhuǎn)動角確定姿態(tài)唯一解的示意圖,第9章 三軸

12、穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,余弦檢測器的工作原理,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,模擬式太陽敏感器的工作原理,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,編碼式太陽敏感器的測量原理,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,CCD太陽敏感器的測量原理,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,單軸太陽敏感器的測量幾何及數(shù)學(xué)模型,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,雙軸太陽敏感器的測量幾何及數(shù)學(xué)模型,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,單圓錐掃描式地球敏感器,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,圓錐掃描式地球敏感器的工作原理,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,圓錐掃描式地球敏感器的測量幾何,第9章

13、 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,圓錐掃描紅外敏感器的兩種典型布局,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,雙地平擺動掃描地球敏感器測量原理,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,輻射熱平衡式地球敏感器的原理,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,恒星在CCD上成像的幾何關(guān)系,第9章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定,“東方紅三號”衛(wèi)星太陽敏感器安裝位置,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,同步軌道衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌的幾何關(guān)系,自旋、雙自旋航天器自旋軸姿態(tài)的星-地大回路控制,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,美國Clementine月球

14、探測器,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,自旋體的本體錐,噴氣力矩作用下姿態(tài)運(yùn)動示意圖,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,角動量進(jìn)動示意圖,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,第10章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制,第11章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)控制,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制 11.2 采用角動量交換裝置的姿態(tài)控制 1) 整星零動量輪控系統(tǒng) 2) 偏置動量輪控系統(tǒng) 11.3 航天器姿態(tài)捕獲與姿態(tài)機(jī)動控制,第11章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)控制,噴氣姿態(tài)控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖,11.1 三軸穩(wěn)定航天器

15、的噴氣控制,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,推進(jìn)系統(tǒng)種類,推力器電磁閥結(jié)構(gòu)原理圖,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,噴氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,理想開關(guān)特性的推力器數(shù)學(xué)模型,帶有時(shí)延開關(guān)特性的推力器數(shù)學(xué)模型,典型的6+2姿控推力器布局圖（HY-1A）,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,神舟飛船的推進(jìn)系統(tǒng)推力器布局,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,正力矩作用下的相軌跡曲線,不同力矩作用下的相軌跡曲線,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,負(fù)力矩作用下的相軌跡曲線,零力矩作用下的相軌跡曲線,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,理想繼電控制器的噴氣姿態(tài)系統(tǒng)框

16、圖,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,理想繼電控制器的噴氣控制系統(tǒng)相平面圖,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,帶有死區(qū)特性的繼電控制器的噴氣姿態(tài)系統(tǒng)框圖,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,帶有死區(qū)特性的繼電控制器的相軌跡,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,帶有死區(qū)特性的繼電控制器的相軌跡(有常值干擾力矩),死區(qū)特性繼電器+比例微分環(huán)節(jié)控制器的單軸噴氣姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,帶有死區(qū)特性繼電器+比例微分環(huán)節(jié)控制器的相軌跡,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,斯密特環(huán)節(jié)+比例微分環(huán)節(jié)控制器

17、的單軸噴氣姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖,帶有斯密特控制器的單回路姿態(tài)控制系統(tǒng)相軌跡(無滑行現(xiàn)象),11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,帶有斯密特控制器的單回路姿態(tài)控制系統(tǒng)相軌跡(滑行現(xiàn)象),常值正干擾力矩形成單邊極限環(huán)的情況,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,考慮推力器時(shí)延的極限環(huán),11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,用速率陀螺得到姿態(tài)角速率的方法,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,采用超前校正控制器的單軸噴氣姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)框圖,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,數(shù)字式相平面控制律,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,采用偽速率控制器的單軸噴氣姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖,

18、11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,偽速率控制器的工作特性,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,連續(xù)控制系統(tǒng),離散控制系統(tǒng),采用脈寬調(diào)制器的噴氣姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖,脈寬調(diào)制器：,11.1 三軸穩(wěn)定航天器的噴氣控制,整星零動量輪控系統(tǒng)的構(gòu)型方案,三正交反作用輪方案,由偏置動量輪組成的整星零動量方案,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),直流電動機(jī)動態(tài)原理圖,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),直流電機(jī)等效數(shù)學(xué)模型,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),力矩模式的飛輪等效模型框圖,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),轉(zhuǎn)速模式飛輪

19、的等效模型框圖,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),零動量輪控系統(tǒng)框圖,整星零動量輪控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的簡化,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),選擇zyx順序的姿態(tài)角作為姿態(tài)參數(shù),（2）,1. 姿態(tài)動力學(xué)模型(帶有慣性輪的剛體),（1）,飛輪控制力矩,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),簡化假設(shè)條件： 1）飛行器的軌道為近圓軌道 ； 2）飛行器的體坐標(biāo)系與其主慣量坐標(biāo)系重合； 3）正常控制時(shí)，姿態(tài)角和姿態(tài)角速度均為小量,線性化后的姿態(tài)動力學(xué)模型為：,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),2. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié),(1) 力矩模式飛輪等效模型,（2）轉(zhuǎn)速模式飛輪等效

20、模型,3. 姿態(tài)確定環(huán)節(jié),結(jié)論：采用陀螺進(jìn)行姿態(tài)預(yù)估時(shí)，可視為比例環(huán)節(jié),11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),假設(shè)：1）采用三正交反作用輪構(gòu)型方案 2）對地定向低軌衛(wèi)星(剛體) 3）采用力矩模式反作用飛輪 4）姿態(tài)確定環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)忽略不計(jì),姿態(tài)動力學(xué)模型：,整星零動量輪控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),1. 俯仰通道設(shè)計(jì),當(dāng) 時(shí)， 閉環(huán)時(shí)域方程為,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),控制律：,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),（1） 脈沖干擾力矩,（2） 階躍干擾力矩,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),(3) 周期干擾力矩,結(jié)

21、論：周期性干擾作用下，存貯到飛輪的最大動量矩是有限量。 輪控系統(tǒng)適用于存在周期性干擾力矩的環(huán)境。,2. 滾動-偏航通道設(shè)計(jì),控制律：PD控制+角動量解耦回路,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),3正交+1 斜裝構(gòu)型方案,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),1. 根據(jù)期望控制力矩計(jì)算飛輪指令,2. 控制指令分配,3. 實(shí)際產(chǎn)生的控制力矩,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),四反作用輪斜裝方案,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),按功耗最省得到的分配矩陣：,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),(最佳安裝角),最佳安裝角：,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)

22、定航天器的輪控系統(tǒng),輪控系統(tǒng)構(gòu)型的冗余度與可靠性的關(guān)系,11.2 整星零動量三軸穩(wěn)定航天器的輪控系統(tǒng),11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,對地定向偏置動量三軸穩(wěn)定航天器示意圖,俯仰通道簡化動力學(xué)模型：,滾動-偏航通道簡化動力學(xué)模型：,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,開環(huán)系統(tǒng)特征方程式為,簡寫為：,長周期自由運(yùn)動,短周期自由運(yùn)動,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,偏置動量飛行器自由運(yùn)動的姿態(tài)示意圖,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,滾動-偏航通道的自由姿態(tài)運(yùn)動,11.3 偏置動量輪

23、控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,外干擾情況下星體角動量的運(yùn)動示意圖,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,忽略章動運(yùn)動,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,控制思想：解耦控制,滾動-偏航通道姿態(tài)動力學(xué)方程,偏置動量三軸穩(wěn)定航天器滾動-偏航角的轉(zhuǎn)換,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,固定偏置動量輪控系統(tǒng)典型構(gòu)型,斜置噴氣控制,磁力矩器控制,雙動量輪V型構(gòu)型,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,單自由度偏置動量輪控系統(tǒng)典型構(gòu)型,1動量輪+1反作用輪構(gòu)型,框架動

24、量輪構(gòu)型方案,1動量輪+2反作用輪構(gòu)型方案,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,雙自由度偏置動量輪控系統(tǒng)典型構(gòu)型,采用推力器的固定偏置動量輪控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,長周期運(yùn)動姿態(tài)系統(tǒng)方框圖,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,當(dāng),閉環(huán)系統(tǒng)復(fù)域方程式,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,開環(huán)系統(tǒng)復(fù)域方程,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,閉環(huán)系統(tǒng)復(fù)域方程式,閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式,根軌跡標(biāo)準(zhǔn)形式,短周期運(yùn)動姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的根軌跡圖,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)

25、穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,固定偏置動量控制系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)方框圖,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,滾動和偏航通道的開環(huán)傳遞函數(shù)：,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,閉環(huán)系統(tǒng)復(fù)域方程式,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,根軌跡標(biāo)準(zhǔn)形式,滾動通道的開環(huán)傳遞函數(shù)：,固定偏置動量控制姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的根軌跡圖,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,當(dāng),11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,用偽速率控制器代替比例微分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)框圖,固定偏置動量控制系統(tǒng)滾動-偏航

26、姿態(tài)運(yùn)動描述,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,用雙脈沖控制來阻尼章動運(yùn)動的工作原理,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,時(shí)作用一個(gè)脈沖后的章動半徑,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,典型的滾動-偏航雙脈沖控制器結(jié)構(gòu),11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,用正負(fù)雙脈沖消除雙邊極限環(huán)的原理,11.3 偏置動量輪控系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,一種典型的對地觀測衛(wèi)星敏感器布局示意圖,星體單軸轉(zhuǎn)速控制框圖,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,0-1太陽敏感的配置和安裝示意圖,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,雙軸太陽敏

27、感器的測量幾何及數(shù)學(xué)模型,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,對日定向控制單軸姿態(tài)控制原理框圖,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,消初偏控制回路框圖,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,地球捕獲回路控制框圖,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,姿態(tài)穩(wěn)定控制回路,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,偏航姿態(tài)角加速度和角速度的一種參考軌跡,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,基于四元數(shù)的姿態(tài)穩(wěn)定控制框圖,11.4 姿態(tài)捕獲和姿態(tài)機(jī)動控制,第12章 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述,12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng) 12.2 航天器控制系統(tǒng)仿真技術(shù) 12.3 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 12.4 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)方

28、案設(shè)計(jì)范例,12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),自旋穩(wěn)定飛行器原理,重力梯度穩(wěn)定飛行器原理,美國子午儀一號導(dǎo)航衛(wèi)星,12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),重力梯度加恒值動量輪的姿態(tài)穩(wěn)定控制,重力梯度加陀螺力矩器的姿態(tài)穩(wěn)定控制,12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),半主動自旋姿態(tài)穩(wěn)定控制,半主動雙自旋姿態(tài)穩(wěn)定控制,12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),純?nèi)S噴氣姿態(tài)控制系統(tǒng),12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),偏置動量飛輪姿態(tài)控制系統(tǒng),12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),零動量飛輪三軸姿態(tài)控制系統(tǒng),一種混合姿態(tài)控制系統(tǒng),12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),12.1 航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),不同類型姿態(tài)控制系統(tǒng)的比較,12.2 航天器控制系統(tǒng)仿真技術(shù),航天器特點(diǎn)： 環(huán)境條件惡劣、不可維修性 航天器控制系統(tǒng)仿真技術(shù)： 以控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和相似原理為基礎(chǔ)，用模型代替實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 航天器控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)分類： (1) 全數(shù)字仿