第四章 三轴稳定航天器的姿态确定
航天器制导及控制课后题答案(西电)
1.3 航天器的基本系统组成及各部分作用？ 航天器基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。有效载荷:用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。保障系统:用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止, 星上所有分系统的正常工作。 1.4 航天器轨道和姿态控制的概念、内容和相互关系各是什么? 概念：轨道控制：对航天器的质心施以外力, 以有目的地改变其运动轨迹的技术; 姿态控制：对航天器绕质心施加力矩, 以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。内容：轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度, 有时也称为空间导航, 简称导航; 轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标, 对质心施以控制力, 以改变其运动轨迹的技术, 有时也称为制导。姿态控制包括姿态确定和姿态控制两方面内容。姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向( 可称为参考方向)上定向的过程, 它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向, 而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。关系：轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求。也就是说, 当需要对航天器进行轨道控制时, 同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中, 可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求, 而对航天器的姿态却有要求。 1.5 阐述姿态稳定的各种方式, 比较其异同。 姿态稳定是保持已有姿态的控制, 航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。自旋稳定:卫星等航天器绕其一轴(自旋轴) 旋转, 依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制, 来修正自旋轴指向误差。三轴稳定: 依靠主动姿态控制或利用环境力矩, 保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。 1.6主动控制与被动控制的主要区别是什么? 画出星—地大回路控制的结构图。 主动控制与被动控制的主要区别是航天器的控制力和力矩的来源不同。被动控制:其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供, 不需要消耗星上能源。例如利用气动力或力矩、太阳辐射压力、重力梯度力矩，磁力矩等实现轨道或姿态的被动控制, 而不消耗工质或电能。主动控制:包括测量航天器的姿态和轨道, 处理测量数据, 按照一定的控制规律产生控制指令, 并执行指令产生对航天器的控制力或力矩。需要消耗电能或工质等星上能源, 由星载或地面设备组成闭环系统来实现。
自动控制原理实验-卫星三轴姿态控制系统
自动控制理论实验报告人： 赵振根 02020802班 2008300597
卫星三轴姿态飞轮控制系统设计 一：概述 1.1．坐标系选择与坐标变换 在讨论卫星姿态时，首先要选定空间坐标系，不规定参考坐标系就无从描述卫星的姿态，至少要建立两个坐标系，一个是空间参考坐标系，一个是固连在卫星本体的星体坐标系。在描述三轴稳定对地定向卫星的姿态运动时，一般以轨道坐标系为参考坐标系，还有星体坐标系。 （1） 轨道坐标系o o o O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，o O X 轴在轨 道平面上与o OZ 轴垂直，与轨道速度方向一致，o OZ 轴指向地心，o O Y 轴垂直于轨道平面并构成右手直角坐标系 （2） 星体坐标系b b b O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，b O X ，b O Y ，b OZ 固连在星体上，为卫星的三个惯性主轴。其中b O X 为滚动轴， b O Y
为俯仰轴， OZ为偏航轴。 b 1.2 飞轮控制系统在卫星三轴姿态控制中的应用与特点 长寿命，高精度的三轴姿态稳定卫星，在轨道上正常工作时，普遍采用角动量交换装置作为姿态控制系统的执行机构。 与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的有点：(1)飞轮可以给出较为精确地连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作为非线性开关控制，因此轮控系统的精度比喷气推力器的精度高一个数量级，而姿态误差速率也比喷气控制小。(2)飞轮所需要的能源是电能可以不断地通过太阳能电池在轨得到补充，因而适用于长寿命工作，喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因而寿命大大受限。(3)轮控系统特别适用于克服周期性扰动。(4)轮控系统能够避免热推力器对光学仪器的污染。 然而，轮控系统在具有以上优越性的同时，也存在两个主要问题，一是飞轮会发生速度饱和。当飞轮朝着一个方向加速或偏转以克服某一方面的非周期性扰动时，飞轮终究要达到其最大允许转速。二是由于转速部件的存在，特别是轴承寿命和可靠性受到限制。 1.3 飞轮姿态控制原理 从动力学角度看，卫星姿态运动时卫星角动量作用的结果，飞轮则是通过与卫星间的角动量的交换来实现姿态控制，要使卫星在轨道上保持三轴稳定并对地定向。卫星的角动量H应该不变，且方向与轨
航天器制导与控制课后题答案(西电)
航天器制导与控制课后题答案(西电) 1.3 航天器的基本系统组成及各部分作用？ 航天器基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。有效载荷:用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。保障系统:用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止, 星上所有分系统的正 常工作。 1.4 航天器轨道和姿态控制的概念、内容和相互关系各是什么? 概念：轨道控制：对航天器的质心施以外力, 以有目的地改变其运动轨迹的技术; 姿态控制：对航天器绕质心施加力矩, 以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。内容：轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度, 有时也称为空间导航, 简称导航; 轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标, 对质心施以控制力, 以改变其运动轨迹的技术, 有时也称为制导。姿态控制包括姿态确定和姿态控制两方面内容。姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向( 可称为参考方向)上定向的过程, 它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向, 而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的 再定向过程。关系：轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求。也就是说, 当需要对航天器进行轨道控制时, 同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中,
可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求, 而对航天器的姿态却有要求。 1.5 阐述姿态稳定的各种方式, 比较其异同。 姿态稳定是保持已有姿态的控制, 航天器姿态稳定方式按航天 器姿态运动的形式可大致分为两类。自旋稳定:卫星等航天器绕其一轴(自旋轴) 旋转, 依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制, 来修正自旋轴指向误差。三轴稳定: 依靠主动姿态控制或利用环境力矩, 保持航天器本体三条正交轴线在 某一参考空间的方向。 1.6主动控制与被动控制的主要区别是什么? 画出星—地大回路控制的结构图。 主动控制与被动控制的主要区别是航天器的控制力和力矩的来 源不同。被动控制: 其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供, 不需要消耗星上能源。例如利用气动力或力矩、太阳辐射压力、重力梯度力矩，磁力矩等实现轨道或姿态的被动控制, 而不消耗工质或电能。主动控制: 包括测量航天器的姿态和轨道, 处理测量数据, 按照一定的控制规律产生控制指令, 并执行指令产生对航天器的控 制力或力矩。需要消耗电能或工质等星上能源, 由星载或地面设备组成闭环系统来实现。 2.1 利用牛顿万有引力定律推导、分析航天器受N 体引力时的运动方程, 并阐述简化为二体相对运动的合理性。 （1）解：牛顿万有引力定律：??r Fg??GMm
姿态控制与轨道控制系统
姿态控制与轨道控制系统 姿态控制 概述 姿态是指卫星相对于空间某参考系的方位或指向，卫星姿态控制是获取并保持卫星在太空定向（即卫星相对于某个参考坐标系的姿态）的技术，包括姿态稳定和姿态控制两个方面。前者要求将卫星上安装的有效载荷对空间的特定目标定向、跟踪或扫描，这种克服内外干扰力矩使卫星姿态保持对某参考方位定向；后者是把卫星从一种姿态转变为另一种姿态的再定向过程。其硬件系统包括敏感器、控制器和执行机构三个部分 卫星姿态控制可以分为被动和主动控制两大类，以及介于两者之间的半被动和半主动控制 被动控制利用卫星本事动力学特性（如角动量、惯性矩），或卫星与环境相互作用产生的外力矩作为控制力矩源。 主动控制利用星上能源（电能或推进剂工质），依靠直接或间接敏感到的姿态信息，按一定的控制律操纵控制力矩器实现姿态控制。任务分析 本卫星旨在对于钓鱼岛及其附近海域的侦查探测，并将信息汇总传送回地面接收站，三颗卫星先要共同工作，后期又分开观测，对于整体的姿态控制和分开后各个个体的控制都有很高的要求。考虑到卫
星形状与对地观测要求，对其采用对地定向三轴稳定的设计方案，以质心轨道坐标系作为其参考坐标系。为保证空间方位和姿态确定的精度要求，使用多传感器的设计，并通过飞轮三轴姿态控制辅助以喷气推力姿态稳定的手段加速姿态修正速度。 姿态控制原理 姿态控制：指对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。包括姿态稳定和姿态机动。 姿态稳定：指使姿态保持在指定方向。 姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。 航天器姿态控制类型包括： 主动控制：星上有主动控制力矩产生机构。主动姿态控制首先需要获得航天器当前的姿态。 被动控制：利用环境力矩产生控制力矩。 姿态获得包括两个过程： 姿态测量：利用姿态敏感器获取含有姿态信息的物理量。 姿态确定：对姿态测量得到的物理量进行数据处理，获得姿态数据。 姿态控制系统包括姿态敏感器和执行机构。 姿态敏感器：测量星体相对于某一基准方位的姿态信息。 姿态敏感器分类（按照基准方位分类）: （1）以地球为基准方位：红外地平仪、地球反照敏感器
稳定平台关键技术综述
稳定平台关键技术综述 0引言 从科索沃战争、伊拉克战争到最近的利比亚战争，局部战争成为主要的作战模式。与以往的区域攻击不同，现代局部战争的主要特点是快速反应、精确打击。为应对未来局部战争，做到敢打必胜，改进与研制武器装备，提高部队作战能力成为首要任务。 在我军车载陆战装备中，战术导弹、坦克、火炮等武器系统近些年来有了很大发展，射击范围和精度都有了很大提高。但与外军先进装备相比，行进间射击精度尚有较大差距，甚至大多装配的武器系统还无法实现行进间射击。行进间射击作为提高部队作战效率，增强武器装备自我防护能力的重要指标，已成为未来陆战装备的主要发展方向，同时这也使得对武器系统的改进与研制迫在眉睫。 瞄准线稳定技术是实现行进间射击、提高行进间射击精度的主要环节。它采用稳定平台对车体的航向、纵摇和横滚运动进行有效的隔离，使瞄准线在惯性坐标系下保持稳定。为提高陆战装备快速反应与精确打击能力，急需提高稳定瞄准的快速性、精确性、自适应性，因此本课题的研究具有重要意义。 1稳定平台国内外研究现状 在光电稳定平台中，陀螺稳定平台迄今得到了广泛的应用，它是采用一个环架系统作为光电传感器的光学平台，在平台上放置陀螺来测量平台的运动，陀螺敏感姿态角的变化经过放大以后驱动环架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台使光电传感器保持稳定。在国外起初应用于手持式望远镜和瞄准具中，并在八十年代装备部队，现已广泛应用于地基、车载、舰载、机载、弹载、天基等各种观测、摄像系统中。1996年，美国的航空红外制造商前视红外系统公司以电子新闻采集市场为目标推出了一种双传感器系统，它包括一个用于低照度的高分辨率红外摄像机和用于白天的标准广播摄像机，这两台摄像机一起被安装在一个紧凑的三轴陀螺稳定的万向架中，能够提供50rad μ的图像稳定精度，意大利的Caselle-Torinese 公司生产的11072Caselle-Torinese 光轴稳定平台的旋转范围可以做到高低方位均为??360~0，最大旋转速度为?60/s ，稳定精度为0.4mrad 。英国的Ferranti Electro-optics 公司生产的FIN1155用于坦克的陆地导弹/稳定平台，其瞄准线的稳定精度达到了0.1mrad 。法国的SAGEM 公司研制的舰载对空红外全景监视系统可以在?+?-30~30的摇摆，?+?-10~10的纵摇时的稳定精度达到0.5mrad 。1994年法国生产的“唯吉-105”型周视光电火控红外系统，在方位为??360~0，俯仰角为??-65~25范围内稳定精度为0.1mrad 。以色列研制的ESP-1H 采用两轴陀螺稳定平台，在方位角为??360~0，俯仰角在?+?-110~10的范围内，最大旋转速度为?50/s 的稳定精度高达50rad μ，而ESO-600C 的稳定精度高达15rad μ。 国内上世纪80年代开始研制瞄准具稳定平台，90年代逐渐展开了陀螺稳定平台的研制。北京618所90年代初期研制了机载陀螺稳定平台，其稳定精度可达到0.1mrad ，中科院成都光电所承担的863子课题——快速反射镜成像跟踪系统，采用了二级稳定技术，并于1994年通过评审。华中光电技术研究所研制的舰载红外稳定平台的稳定精度为1mrad ，清华大学精密机械与机械学系惯性导航研究室于1997年研制出机载瞄准线稳定跟踪系统，并交付部队使用。 车载稳定平台的研究开始于80年代后期，最初用于坦克炮长镜上以稳定瞄准线，其原理是在框架陀螺的转子上安装导光棱镜，以达到稳定瞄准线的目的，其稳定精度可达到0.2mrad ，但瞄准范围仅仅是方位?±4、俯仰?+?-20~10，加之人机工程差，使用受到了
航天器的姿态与轨道最优控制
航天器的姿态与轨道最优控制 董丽娜唐晓华吴朝俊司渭滨(第八小组) （西安交通大学电气工程学院，陕西省，西安市 710049） 【摘要】从航天器的轨道运动学方程出发, 运用线性离散系统最优控制理论, 提出了一种用于航天器轨道维持与轨道机动的最优控制方法, 建立了相关的最优控制模型并给出了求解该模型的算法。仿真计算结果表明, 本文提出的最优控制方法是正确和可行的。 【关键词】航天器轨道保持轨道机动最佳控制 Optimal Control of Spacecraft State and Orbit Dong LiNa，Tang XiaoHua，Wu ChaoJun，Si WeiBin （EE School of Xi’an Jiaotong university，Xi’an, Shannxi province, 710049）【Abstract】This paper provides a new optimal control method for orbital maintenance and maneuver ,which begins with the kinetics equation of spacecraft and is based on the linear discrete optimal control theory , establishes the relative optimal control model and gives its solution. The simulation results show that the given optimal control method in this paper is correct and feasible. 【Key word】Spacecraft ，Orbital keeping ，Orbital maneuver ，Optimal control 1 引言 一般地,常见的航天器有:运载火箭、人造卫星、载人飞船、宇宙飞船、空间站等。宇宙飞船也称太空飞船，它和航天飞机都是往返于地球和在轨道上运行的航天器（如空间站) 。
飞行器姿态控制法综述
飞行器姿态控制方法综述 一.引言 经过一个世纪的发展，各种飞行器如雨后春笋般出现，从飞机、导弹到火箭、卫星，从宇宙飞船、航天飞机、空间站到月球探测器、火星探测器。这些飞行器能在空中按预定的轨迹运动总离不开它的姿态控制系统，飞行器在空间的运动是十分复杂的。为使问题简单化，总是将一飞行器的空间运动分解为铅锤平面的纵向运动和水平面内的侧向运动，将飞行器在空间的角运动分解成俯仰、偏航和滚动三个角运动。由于角运.动使飞行器的姿态发生变化，所以对角运动的控制就是对飞行器姿态的控制。对于飞行器姿态的控制，不同的飞行器需要不同的策略，本文主要就飞行器姿态控制方法的应用与发展作一一论述。 二.姿态控制的数学模型 要控制飞行器的姿态，就是要控制使飞行器三个姿态角发生变化的力矩大小。飞行器的姿态模型可以认为是一类不确定MIMO 仿射非线性系统，如式(1)所示： ()//()//()//(cos sin )/cos cos sin sin tan cos tan x y z y x x x x x z x x x y y y x x y x y z z z x x x z x y z I I I M I I I I M I I I I M I ωωωωωωωωωψ ωθωθ??ωθωθ θωθ?ωωθ?=-+??=-+??=-+??=-??=+?=+-?? （1） 式中，x 、y 、z 下标表示空间飞行器的三个主轴方向；I 表示相对于飞行器质心的惯量矩，设飞行器是主轴对称的，则惯量积可以忽略；ω表示飞行器相对于惯性空间的角速度;M 表示控制力矩；,,ψ?θ分别是飞行器的欧拉角。控制了M 的大小，就可以控制飞行器按我们期望的轨迹运动。M 由飞行器上的执行机构产生，常见的有空气舵、推力矢量发动机、反作用飞轮、喷气执行机构或由其它环境力执行机构。 三.飞行器姿态控制方法 3.1空气动力控制 根据运动的相对性原理和气体流动时的基本定律，当飞行器在大气中以一定
自动控制原理实验-卫星三轴姿态控制系统
自动控制理论实验 报告人： 赵振根 02020802班 2008300597
卫星三轴姿态飞轮控制系统设计 一：概述 1.1．坐标系选择与坐标变换 在讨论卫星姿态时，首先要选定空间坐标系，不规定参考坐标系就无从描述卫星的姿态，至少要建立两个坐标系，一个是空间参考坐标系，一个是固连在卫星本体的星体坐标系。在描述三轴稳定对地定向卫星的姿态运动时，一般以轨道坐标系为参考坐标系，还有星体坐标系。 （1） 轨道坐标系o o o O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，o O X 轴在轨 道平面上与o OZ 轴垂直，与轨道速度方向一致，o OZ 轴指向地心，o O Y 轴垂直于轨道平面并构成右手直角坐标系 （2） 星体坐标系b b b O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，b O X ，b O Y ，b OZ 固连在星体上，为卫星的三个惯性主轴。其中b O X 为滚动轴， b O Y
为俯仰轴， OZ为偏航轴。 b 1.2 飞轮控制系统在卫星三轴姿态控制中的应用与特点 长寿命，高精度的三轴姿态稳定卫星，在轨道上正常工作时，普遍采用角动量交换装置作为姿态控制系统的执行机构。 与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的有点：(1)飞轮可以给出较为精确地连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作为非线性开关控制，因此轮控系统的精度比喷气推力器的精度高一个数量级，而姿态误差速率也比喷气控制小。(2)飞轮所需要的能源是电能可以不断地通过太阳能电池在轨得到补充，因而适用于长寿命工作，喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因而寿命大大受限。(3)轮控系统特别适用于克服周期性扰动。(4)轮控系统能够避免热推力器对光学仪器的污染。 然而，轮控系统在具有以上优越性的同时，也存在两个主要问题，一是飞轮会发生速度饱和。当飞轮朝着一个方向加速或偏转以克服某一方面的非周期性扰动时，飞轮终究要达到其最大允许转速。二是由于转速部件的存在，特别是轴承寿命和可靠性受到限制。 1.3 飞轮姿态控制原理 从动力学角度看，卫星姿态运动时卫星角动量作用的结果，飞轮则是通过与卫星间的角动量的交换来实现姿态控制，要使卫星在轨道上保持三轴稳定并对地定向。卫星的角动量H应该不变，且方向与轨
航天器控制大作业
航天器控制课程大作业 1.基本内容 ?建立带有反作用飞轮的三轴稳定对地定向航天器的姿态动力学和姿态运动学模型； ?基于欧拉角或四元数姿态描述方法，设计PD型或PID型姿态控制律(任选一种); ?利用MATLAB/Simulink软件建立航天器闭环姿态控制系统，设计姿态控制器进行闭合回路数学仿真，实现给定控制指标和 性能指标。 ?调研基于星敏感器+陀螺的姿态确定算法并撰写报告，要求不少于1500字。内容包括： ?星敏感器、陀螺数学模型 ?Landsat-D卫星姿态确定调研 包括：姿态敏感器组成、姿态敏感器性能、姿态确定算法及其精度 ?单星敏感器+陀螺的kalman滤波器姿态估计 ?双星敏感器姿态确定算法(双矢量定姿) ?列出主要参考文献 2.具体要求和相关参数 1)建立航天器姿态动力学方程以及基于欧拉角描述(3-1-2转序)的姿态运动学方程。基于如下假设，对航天器姿态动力学和姿态运动学模型进行简化： ?航天器的轨道为近圆轨道，对应轨道角速度为常数； ?航天器的本体坐标系与其主惯量坐标系重合，惯量积为零；
? 航天器姿态稳定控制时，姿态角和姿态角速度均为小量。 进一步建立适用于航天器姿态稳定或小姿态角度工况下的线性化航天器姿态动力学和运动学模型。 2) 航天器转动惯量矩阵 2200024142460018kg m 14182500????=??????? I 轨道角速度00.0012rad/s ω=。设航天器本体系三轴方向所受干扰力矩如下： 040003cos 1() 1.510 1.5sin 3cos N m 3sin 1d t t t t t ωωωω-+????=?+?????+??T 仿真中，假设初始三轴姿态角为002~5和初始三轴姿态角速度000.01/s ~0.05/s 。 3) 采用三正装反作用飞轮作为执行机构，飞轮最大控制力矩为0.4Nm ，最大角动量20Nms 。飞轮采用力矩模式，模型采用一阶惯性环节（时间常数为0.005s ），考虑库仑摩擦力矩4410Nm -?，要求飞轮的数学模型带有饱和特性。 4) 控制指标和性能指标： ? 稳定度（姿态角速度）：优于0.005deg/s ； ? 指向精度（姿态角）：优于0.1deg ； ? 姿态稳定收敛时间小于100s 。
姿态控制课程讲义
第一章反作用喷嘴（reaction thruster）姿态控制 一．引言 在所有姿态控制方法中，反作用喷嘴（reaction thruster）姿态控制是最直接、效果最理想的姿态控制方法。该方法将反作用力直接作用于欲施予姿态控制的卫星轴使其产生与所施加的反作用力方向相反的运动，进而达到对卫星进行姿态控制的目的。 能够对卫星姿态进行控制的主要硬件是： z动量交换设备（如反作用飞轮）； 动量交换设备（如反作用飞轮）在卫星姿态控制中所能提供的力矩約为0.02—1Nm； z磁力矩控制器； 磁力矩器在卫星姿态控制中所能提供的力矩約为10-2—10-3Nm； 这些控制器都是工作在线性连续模式。 这类姿态控制都有一些共同的缺点： 1.首先，姿态机动的速度受到它们所能为ACS提供的较低的力矩限制； 2.第二是在完成轨道机动任务时，它们不能为卫星姿态保持提供足够的 力矩。 即使高水平的轨道机动的液体发动机（或固体推力发动机）在进行变轨时也会引入寄生力矩（不希望产生的），这是由于其推进系统的特殊性决定的。该寄生力矩可能会达到几个Nm量级。在这样大的干扰力矩的条件下，控制飞行器姿态的唯一方法是使用反作用力控制器。 用于姿态控制的反作用力控制器只能工作在脉冲模式，没有连续或线性的反作用力控制器。这使采用反作用力控制器作为力矩控制器的姿态控制系统的分析变得复杂了。但是他们却能够提供几乎任何大的力矩水平，这是它的最大优点。在大部分的飞行器中，0.01Nm—30Nm的反作用力矩范围是很常见的。从实际考虑，使用推力水平相同的喷嘴进行卫星姿态的控制是很方便的。 本次课程所要解决是反作用力（reaction thruster）姿态控制的分析和设计问题。喷嘴的脉冲工作模式所引出的主要有两个困难： 1.给定的喷嘴对姿态控制精度的限制； 2.传感器噪声所引起的燃料消耗。 因此，使用推力矩控制器的ACS受到反作用力（reaction thruster）喷嘴性能的严重影响。 二．反作用力喷嘴（reaction thruster）控制的安装方法 在下文中，反作用力喷嘴必须被看作为一个整体的控制系统。尽管一些高度复杂的系统声称通过一定的策略在卫星星体上安装喷嘴可以仅用四个喷嘴既能获得相同的姿态机动，但由于各种理由，在空间进行姿态机动一般来说至少需要六个喷嘴来完成反作用力控制系统。 反作用喷嘴能够施加在卫星轴上的力矩水平不仅与喷嘴所能提供的力的大小有关，而且与相对于轴的力臂有关。这表明，正确的使用喷嘴主要取决于喷嘴在星体上的安装位置和其相对于卫星轴的安装倾角。毋庸置疑，星体的三个主轴需要不同的力矩水平，必须对喷嘴的安装位置和方向进行仔细的研究后再确定应采用的推力系统的实际设置。喷嘴的安装位置和方向也受光学传感器和太阳帆板
航天器姿态动力学与控制总结2014
《航天器姿态动力学与控制》课程内容总结 (一) 绪论部分 1．名词解释：姿态运动学；姿态动力学；姿态控制；姿态稳定控制、姿态机动控制、姿态捕获、再定向等概念 (二) 姿态动力学部分 1．指出描述航天器的姿态参数有哪几种，各自的优缺点是什么？ 2．掌握对地定向卫星惯性坐标系、轨道坐标系、本体坐标系之间的关系和各坐标系间坐标变换矩阵的求取； 3．给出在无穷小角位移的情况下，以不同姿态参数表示的方向余弦矩阵表达式； ω绕地球飞行，给出在无穷小角位移(星体坐标4．设对地定向卫星以轨道角速度 系相对轨道坐标系)情况下，星体其相对惯性空间的姿态角速度矢量(在体系下的分量列阵)的表达式，用zxy或zyx顺序的姿态角及其速率表示。 5．解释什么是视角动量？视角动量与关于参考点的角动量之间有何区别？6．什么是主转动惯量？惯性主轴坐标系的定义？ 7．推导刚体的姿态动力学方程(即欧拉方程)，给出刚体姿态动力学方程的矩阵分量式(设体坐标系与惯性主轴坐标系重合)。 8．解释什么是轴对称自旋航天器的本体章动和空间章动？章动角的含义是什么？什么是本体极迹和空间极迹？ 9．单自旋刚体运动稳定性的条件。 10．什么是准刚体模型？什么是最大轴原理？ 11．给出细长体双自旋航天器的稳定性条件(按准刚体模型) 12．重力梯度稳定卫星的稳定准则及天平动。 13．重力梯度稳定及其原理，这种姿态稳定方式的特点。 14．写出带有多个惯性轮的刚体航天器的姿态动力学方程(矢量式和矩阵式)，并解释其中各变量的含义； （三）姿态控制部分 1．指出姿态确定有哪几种方法？什么是参考矢量？姿态参考矢量有哪些？分别是怎样得到的？红外地平仪测量结果有何特点？
姿态控制系统
第一章航天器控制的基本概念1.轨道控制 a.轨道确定(导航) 研究如何确定航天器的位置和速度b. 轨道控制(制导) 根据位置、速度、飞行最终目标，对质心施以控制力，以改变运动轨迹的技术轨道机动、轨道保持轨道交会、再入返回控制2.姿态控制a.姿态确定研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法；可以是惯性基准或其他基准，如地球；采用姿态敏感器和相应的数据处理方法；确定精度取决于数据处理方法和敏感器精度。b. 姿态控制在规定或预定方向(参考方向)上定向的过程；姿态稳定是指使姿态保持在指定方向；姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。3.姿态稳定 a.特点长期而持续的所需控制力矩较小b.种类定向粗对准精对准4. 姿态机动a.特点短暂过程所需控制力矩较大b.种类再定向捕获跟踪和搜索4. 姿态控制与轨道控制的关系为实现轨道控制，航天器姿态必须符合要求；在某些具体情况或某些飞行过程中，可把姿态控制和轨道控制分开考虑；某些应用任务对航天器轨道没有严格要求，而对航天器姿态确有要求；例如：空间环境探测卫星绕地球的运行往往不需要轨道控制，卫星在开普勒轨道上运行就能满足对环境探测的要求。5.姿态控制系统分类 a.根据姿态稳定方式三轴稳定.保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向自旋稳定.绕自旋轴旋转，依靠旋转动量矩在惯性空间的指向b.根据力来源被动控制.不需消耗星上能源，如重力梯度力矩、磁力矩等主动控制.星上自主控制、星－地大回路控制，消耗电能和工质6.姿态控制系统的设计要求可靠性控制性能a.动量、稳定性b.稳态精度c.动态响应控制系统质量和能源需求附带要求a.经济性b.坚固性c.生产可能性7.姿态控制系统设计任务a.了解任务参数任务类型、质量、结构、轨道几何参数、任务寿命、精度、机动要求b.推导出控制系统质量和能源需求可靠性及寿命动量要求力矩要求：大小、频率、杠臂限制动态响应精度 能源要求c.具体设计 第二章姿态运动学与动力学1.方向余弦阵的性质及特点方向余弦阵只有三个独立参数方向余弦阵是正交矩阵AA T=E方向余弦阵的行列式为1|A|=1方向余弦阵可作为坐标变换矩阵V a=A Vb相继姿态运动的方向余弦阵具有中间脚标的吸收性质。缺点：不直观，缺乏明显的几何图象概念，使用不方便2.用EulerEuler轴/角描述姿态的理论依据Euler定理：刚体绕固定点的任一位移，可由绕通过此点的某一轴转过一个角度得到。姿态描述可用转轴e和绕此轴的转角φ来描述两个坐标系间的相对姿态。Euler轴/角的形式及特点形式转轴e在参考坐标系中的三个方向余弦(ex, ey, ez)转角φ优点具有明确的几何意义，直观，易于理解；是四元素、Rodrigues参数等其它姿态描述方法的基础。缺点仍具有一个约束条件，不是姿态描述的最小实现；与姿态之间不是一一对应的。常用Euler角3-1-3 ψ, θ, ?自旋卫星绕oZ轴旋转, Rz(ψ)绕oX'轴旋转, Rx(θ)绕oZ"轴旋转Rz(?)3-1-2 ψ, ?, θ三轴稳定卫星绕oZ轴旋转, Rz(ψ)绕oX'轴旋转, Rx(?)绕oY"轴旋转,Ry(θ) 在轨道坐标系内ψ为偏航角?为滚动角θ为俯仰角。3. Euler角的特点优点几何意义直观、明显小角度线性化方便在某些情况下，可直接测量缺点包含三角函数，计算效率低运动学方程有奇点4. 四元数特点与方向余弦阵相比，四元素只包含4个变量和1个约束与Euler轴/角相比，四元素姿态矩阵不含三角函数四元素可看作姿态机动参数。缺点：四元数仍存在一个约束条件，不是姿态描述的最小实现。5.Rodrigues参数的优缺点优点姿态描述的最小实现；简单、直观，计算效率高；由其描述的运动学方程结构简洁，无多余约束。缺点当φ→±180°时，x→±∞，不能有效描述姿态；当φ远小于180°时，才能有效描述姿态。6.重力梯度力矩的性质重力梯度力矩与主惯量差成正比重力梯度力矩与轨道角速度的平方成反比重力梯度力矩与姿态偏差角(小角度假设下)成正比当Izz< point the telescope Desired Attitude Actual Attitude determines the desired torques, and send electrical commands applies the desired torques take the measurements Estimated Attitude Estimates the current attitude ACS: Single Spin The entire spacecraft spins, which provides inertial 3ωC 3 ωPlatform Rotor A A C ′ A ′ A ′ ACS: Momentum Bias : The momentum bias satellite is a variation of the dual spin co ncept that overcomes momentum usually spun by electric controlled momentum wheel come therefore how much angular momentum of changes it about Two magnetic torquers interact ACS methods: Active Propellant Reaction wheels with Sensors The types of sensors used for attitude determination are: 1.horizon sensors (or conical Earth scanners), 2.sun sensors, 3.star sensors, 4.magnetometers, 5.inertial reference units (IMU or attitude reference units ARU), and 6.GPS receivers. Horizon sensors measure pitch and roll to an accuracy of about 0.1-0.5 deg. An accuracy less than 0.05 deg can be achieved by extensive calibration and accounting for the equatorial bulge. Sun and star sensors provide directions. An horizon sensor does not provide yaw information (for momentum bias systems it is not necessary to measure yaw). One wide-FOV or two narrow-FOV star sensors are needed to provide attitude. Since the star sensors cannot provide continuous attitude measurements an IMU/ARU is needed to provide the attitude between measurements. IMUs suffer from drift and biases and need frequent updates which are provided by the star sensors. Magnetometers measure Earth's magnetic. Accuracies no better than 1 deg can be obtained. The GPS receivers are used in an interferometer mode to determine attitude. Accuracies as good a s 0.01 deg are expected using GPS. 姿态解算 姿态解算(attitude algorithm), 是指把陀螺仪，加速度计, 罗盘等的数据融合在一起，得出飞行器的空中姿态，飞行器从陀螺仪器的三轴角速度通过四元数法得到俯仰，航偏，滚转角，这是快速解算，结合三轴地磁和三周加速度得到漂移补偿和深度解算。 姿态的数学模型坐标系姿态解算需要解决的是四轴飞行器和地球的相对姿态问题。地理坐标系是固定不变的，正北，正东，正上构成了坐标系的X，Y ，Z 轴用坐标系R 表示，飞行器上固定一个坐标系用r 表示，那么我们就可以适用欧 姿态的数学表示姿态有多种数学表示方式，常见的是四元数，欧拉角，矩阵和轴角。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角,姿态解算的核心在于旋转。姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态，包括旋转和方位。在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。姿态控制 算法的输入参数必须要是欧拉角。AD 值是指MPU6050 的陀螺仪和加速度值，3个维度的陀螺仪值和 3 个维度的加速度值，每个值为16位精 度。AD 值必须先转化为四元数，然后通过四元数转化为欧拉角。在四 轴上控制流程如下图： 面是用四元数表示飞行姿态的数学公式，从 MPU6050 中采集的数据经过下面的公式计算就可以转换成欧拉角，传给姿态PID 控制器中进行姿态控制. PID 控制算法先简单说明下四轴飞行器是如何飞行的,四轴飞行器的螺旋桨与空气发生相对运动，产生了向上的升力，当升力大于四轴的重力时四轴就可以起飞了。四轴飞行器飞行过程中如何保持水平：我们先假设一种理想状况：四个电机的转速是完全相同的是不是我们控制四轴飞行器的四个电机保持同样的转速，当转速超过一个临界点时（升力刚好抵消重力）四轴就可以平稳的飞起来了呢？答案是否定的，由于四个电机转向相同，四轴会发生旋转。我们控制四轴电机1和电机3同向，电机2电机4反向，刚好抵消反扭矩，巧妙的实现了平衡, 但是实际上由于电机和螺旋浆本身的差异，造成我们无法做到四个电机产生相同的升力，这样飞行器起飞之后就会失去平衡。 PID 控制器 PID 控制器通过PID 三个参数来对被控对象进行控制，是应用最广泛一种的控制器航天器姿态确定和姿态控制课件
四轴飞行器姿态控制算法