质量特性调整机构在航天器中的应用

质量特性调整机构具有成本低、体积小、重量轻、工作寿命长、可靠性高的优点,被用于在轨精确调整航天器的质量特性,从而确保航天器能够提供高精度的姿轨控以及部分有效载荷的正常工作。文章首先介绍了质量特性调整机构的设计原理和方案,以及在航天器中的应用情况和研究现状;其次对质量特性调整机构需要解决的关键技术进行了分析;最后对其在我国航天活动中的应用进行了展望。     

SO(3)上航天器自适应反步姿态跟踪控制

针对刚体航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种自适应反步控制方法。首先,考虑模型不确定性和外部干扰影响,通过引入一个非负定的势函数来描述姿态跟踪误差,在特殊正交李群SO(3)上建立描述航天器姿态运动的相对动力学方程,所建立的动力学模型有效地避免了用修正罗德里格参数或四元数描述航天器姿态时引起的奇异和退绕等问题;其次,设计的自适应反步控制器可保证闭环控制系统最终一致有界收敛,并用李亚普诺夫理论严格证明了闭环系统的稳定性;此外,设计的自适应控制律可以有效地处理系统总干扰;最后,针对航天器姿态跟踪控制场景进行数值仿真分析。结果表明:与传统PD控制器相比,所设计的控制器可以有效地提高控制性能。     

动静隔离、主从协同控制双超卫星平台设计

为满足先进航天器超高指向精度(优于10-4(°))和超高姿态稳定度(优于10-6(°)/s)的需求,研究了一种"振源与载荷动静空间隔离、控制主从协同"的卫星平台设计方法。采用八杆非接触磁浮机构实现振源与载荷的动静空间隔离,消除平台微振动对载荷的干扰;采用载荷为主,平台为辅的协同控制策略,合理有效利用"死区"间隙非线性,实现了卫星的"超精超稳"控制。仿真验证了平台的双超性能。该方法解决了传统设计中平台微振动导致载荷指向精度和稳定度难以提升的瓶颈问题。     

星间微波测距系统相位中心在轨标定研究

研究了卫星质心已精确确定后,基于非线性卡尔曼滤波的星间微波测距系统的相位中心在轨标定方法。用非线性卡尔曼滤波对4种机动律的数据进行标定计算。仿真结果表明:当设定合适的敏感元件参数时,该法有较高的精度。     

三体随动跟踪式重力卫星姿态与无拖曳控制方法

采用非接触洛伦兹力执行器代替微推进系统,提出一种“质量块—载荷舱—平台舱”三体随动跟踪式重力卫星总体架构,避免传统低低跟踪重力场测量卫星设计中的质心波动与执行机构带来的动力学不确定性影响。其次,建立了该架构下的卫星姿轨耦合动力学模型,并在此基础上针对动力学非线性耦合项的影响,构建了一种基于带宽参数化自适应补偿的复合自抗扰控制方法,提升姿态与无拖曳控制性能。最后,采用数学仿真验证了所提出的重力卫星总体架构及其控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法有效提升了系统的频域性能。     

跨流区超低轨航天器快速气动力计算方法

超低轨飞行器常工作在过渡流区中,过渡流区中气动特性多变,建模困难,目前缺少较好的快速气动力计算方法。在面元法的基础上,提出了设计迎风单元筛选算法与logistics-log桥函数,对连续流区与自由流区结果进行加权,实现超低轨卫星的气动力估算。在方法验证中,对圆柱与钝头双楔体在宽努森数(Kn)范围下的气动力进行测算,发现结果与直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)数据一致。对典型超低轨飞行器地球重力场和海洋环流探测卫星(GOCE)的气动力进行分析,发现GOCE随着姿态变化阻力变化明显,需要舵面或陀螺仪进行姿态控制;在不同高度下的阻力量级变化大,在超低轨运行时需要动力系统维持高度。     

自由漂浮柔性航天器的非线性扰动观测器设计

为提高控制策略的效率,考虑航天器的平动和转动与柔性附件的振动相互耦合作用,对一种用于估计柔性附件对自由漂浮航天器主体平动和姿态转动影响的非线性扰动观测器(NDO)设计进行了研究。将自由漂浮航天器简化为自由运动的中心刚体柔性梁(FHB)系统,用浮动坐标系建立了系统的动力学模型,并用假设模态法对柔性附件进行离散以方便计算。将与不可观测状态相关的项作为等效扰动项,并假设其为慢变且有界,设计了扰动观测器。因考虑了柔性附件对航天位姿的扰动,设计的扰动观测器具渐近收敛性和鲁棒性。构建了Lyapunov函数,从理论上证明了该观测器的收敛性。用无外力输入的自由运动和受迫运动两个数值仿真算例验证扰动观测器的有效性,结果表明设计的扰动观测器估值与真实值基本一致。研究为后续包含扰动补偿的控制器设计奠定了基础。     

基于音圈式Stewart平台的零刚度卫星复合姿态控制研究

针对扰动及卫星本体振动传递对高精度载荷姿态控制的影响,研究了基于音圈式Stewart隔振平台的零刚度超静卫星及其姿态控制问题。利用音圈作动器在电磁作用原理下存在结构间隙的特点,实现卫星载荷舱与本体舱结构非接触,理论上完全隔离振动。围绕该零刚度卫星两舱非接触引发的姿态控制难题,综合滑模控制强抗干扰能力和动态逆控制形式简明的特点,提出了鲁棒复合控制律,可弥补滑模控制律等效控制过于繁琐和动态逆控制器鲁棒性的不足,并证明了在该控制器作用下不确定动态系统的闭环稳定性。建立了载荷舱和本体舱的动力学与运动学模型,基于两舱相对动力学和运动学关系的分析,设计了载荷舱高精度高稳姿态控制和本体舱精确跟踪姿态控制律,证明了复合控制律的有效性。仿真结果表明:该零刚度卫星能实现较高的姿态控制精度,验证了所提算法的可行性及潜在的应用价值。     

双超卫星平台柔性线缆构型设计与仿真

研究舱间线缆动力学模型及其扰动传递特性，是深入考察连接线缆刚柔耦合效应影响的重要依据。以绝对节点坐标方法(ANCF)三维缩减曲梁单元模型为背景，考虑线缆的大变形特性，构造新的大变形线缆单元弹性力模型。在此基础上，用数值方法对典型约束工况下线缆单元弹性力模型进行计算和分析，获得位移-扰动力线性关系下的两舱振幅范围。此外，结合有限元方法，获得了舱间线缆不同布线构型的等效结构刚度矩阵模型。结果表明:布线过程中合理排列不同材料性能线缆，可有效降低耦合效应的影响，为后续舱间线缆布线规划提供了理论依据。