航空遥感用三轴惯性稳定平台不平衡力矩前馈补偿方法

航空遥感用三轴惯性稳定平台用于稳定成像载荷,获取高分辨的遥感数据。但是由于稳定平台承载大且存在质量偏心,在载机加速度的作用下平台产生幅值较大的不平衡力矩,导致平台的稳定精度下降和相机成像质量退化。为了有效抑制不平衡力矩产生的影响,提高平台的稳定精度,提出了一种基于不平衡力矩观测器的惯性稳定平台不平衡力矩前馈补偿方法。首先设计一种不平衡力矩观测器,实时估计出平台的不平衡力矩;然后通过前馈补偿的方法抑制不平衡力矩的作用,从而达到提高平台的稳定精度的目的。仿真结果显示,平台的稳定精度得到大幅度提高,基于不平衡力矩观测器的惯性稳定平台不平衡力矩前馈补偿方法有显著补偿效果。     

无刷直流力矩电机系统的自适应扰动力矩补偿研究

陀螺漂移测试转台无刷直流力矩电机系统中存在波动力矩和负载力矩振动，这严重地影响了转台速率平稳度。为提高转台速率状态位置跟踪精度，设计了一种自适应补偿方法。该方法包含一个参自适应律和等效PID控制律，它利用前馈补偿原理，来估计电机中未知参数以及波动力矩和负载力矩参数并给与补偿。该自适应补偿方法保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐进跟踪。仿真结果证明：该方法有效地提高了转台速率状态跟踪精度。     

微小卫星联合执行机构的递阶饱和姿态控制方法

随着航天飞行任务复杂程度的提高,微小卫星姿态控制系统对实现大角度姿态机动的快速性及稳定性有着较高的要求。考虑到在实际大角度姿态机动过程中力矩饱和及角速度限制的因素,提出了基于欧拉轴转动的递阶饱和模糊PD姿态控制律,同时采用喷气推力器和反作用飞轮作为联合执行机构为微小卫星姿态机动提供大且精确的控制力矩。与传统PD控制律相比,模糊PD姿态控制系统的未知参数可在线自动整定。数学仿真结果表明,基于欧拉轴转动的递阶饱和模糊PD姿态控制系统能够在125 s内实现50.2°的大角度机动,稳定误差能够控制在0.002°之内。与传统PD控制律相比,此方法具有更高的精度及稳定性。     

基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法

在光纤陀螺稳定控制平台应用领域中,光纤陀螺相位滞后及瞬态噪声严重制约着随动控制系统的控制品质。为了提高基于光纤陀螺随动系统的控制效果,研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法。首先,分析了由于死区补偿带来的光纤陀螺瞬态噪声,在此基础上研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法,并对该方法进行了理论分析。根据稳定控制平台对相位滞后和瞬态噪声的设定要求,通过一只数字闭环光纤陀螺进行了测试验证,测试结果满足系统对相位滞后和瞬态噪声的指标要求,瞬态噪声峰峰值为0.36(°)/s,并不随增益的变化而变化,验证了增益自补偿方法的有效性。     

立方星剩磁在轨辨识与主动补偿技术

立方星的姿态测量与控制系统常采用磁测磁控结合偏置动量轮的方案,整星剩磁干扰力矩是影响姿态控制精度的重要因素之一。提出了一种利用磁强计实现剩磁矩在轨辨识与利用磁力矩器实现剩磁矩主动补偿的新方案:基于磁强计输出和卫星姿态动力学建立了剩磁矩在轨辨识模型,并利用采样滤波器(UKF)提高单磁强计条件下的辨识效果;把控制对象简化成线性定常系统,分析了剩磁干扰力矩对姿态的影响数学模型,并针对磁力矩器和磁强计分时工作的特点,基于叠加性原理提出了基于角速度的剩磁矩主动补偿算法。仿真研究表明,在1000 s内剩磁矩在轨辨识精度为0.001 A×m~2量级,主动补偿后,偏航角、滚动角与俯仰角控制误差分别从4.3°、4.6°与2.1°均减少至0.4°以内。提出的方法为类似配置卫星减少剩磁干扰力矩的影响提供了一种新思路。     

基于位置信号的三浮陀螺仪有源磁悬浮干扰力矩补偿方法

针对高精度三浮陀螺采用有源磁悬浮之后带来新的干扰力矩问题,提出了基于位置信号的干扰力矩补偿法。对有源模式下径向元件电磁模型进行了分析,得出磁悬浮干扰的直接原因为同一坐标方向的两个极下磁场不对称,定、转子几何中心偏移越大这种不对称性也越大。建立了磁悬浮干扰力矩常值部分和随机部分与定中位置、定中精度的关系数学模型,在陀螺测试输出中对其进行补偿。多次实验表明,引入该补偿算法后陀螺固定位置随机漂移精度平均提高了33%~42%,同时也提高了磁悬浮的定中精度,证明此方法有效。     

猎雷声纳基阵姿态稳定系统自适应反步法控制

针对带非线性摩擦力矩和负载扰动的高精度猎雷声纳基阵姿态稳定系统,提出了一种基于神经网络的自适应反步法控制方法。其中神经网络用于估计未知非线性摩擦力矩,进而设计反步法控制器和参数自适应律来对神经网络估计误差和负载扰动进行补偿。最后应用Lyapunov方法证明了所提出的自适应控制器能保证闭环系统的稳定性,并且可以通过选择适当的控制器参数来调整收敛率。仿真结果表明,基于神经网络的自适应反步法控制方法与PID控制相比,系统的动、静态性能指标及鲁棒性得到了全面的改善,与双闭环PID控制相比,跟踪精度提高了3倍多。     

万向支架陀螺与自旋卫星的耦合运动

本文使用相坐标摄动方法讨论万向支架陀螺与自旋卫星的耦合运动,将万向支架的惯性力矩作为对陀螺及卫星的Euler-Poinsot运动的摄动。导出陀螺与卫星的耦合章动漂移公式,周知的Magnus公式是卫星无章动时的特例。文中还讨论了章动同步现象,并导出轴承粘性摩擦引起陀螺与卫星的章动阻尼运动的稳定性判据。     

单片集成MEMS陀螺数字闭环接口ASIC电路设计

为提高MEMS陀螺的线性度和稳定性,设计了适用于电容式MEMS陀螺的数字式双闭环接口电路。首先,概括了接口电路的系统结构,包括电容/电压转换电路、高精度模数转换器、数字信号处理等模块。然后,设计了基于自动增益控制的陀螺驱动闭环控制系统,并分析了驱动闭环稳定性条件,为驱动闭环系统的快速调试提供理论指导。最后,提出了一种基于四阶机电结合∑△调制器原理的陀螺敏感闭环检测系统。接口电路在0.18μm高压CMOS工艺平台上完成流片,并且与MEMS陀螺结构封装在一个管壳中进行测试验证。测试结果表明本接口电路的优越性能:在±500°/s量程下陀螺非线性度达到52.8 ppm,陀螺零偏不稳定性为0.58°/h(Allan方差),角度随机游走等于0.07°/h~(1/2),满足高性能MEMS陀螺对高线性度、高稳定性接口电路的应用需求。     

低轨纳卫星质量矩姿态控制技术研究

针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.      

Magnetic torque attitude control of a satellite using the state-dependent Riccati equation technique

A non-linear attitude control method for a satellite with magnetic torque rods using the state-dependent Riccati equation (SDRE) technique has been developed. The magnetic torque caused by the interaction with the Earth's magnetic field and the magnetic moment of torque rods plays a role of the control torque. The detailed equations of motion for this system are presented using angular velocity and quaternions. The SDRE controller is developed for the non-linear systems which can be formed in pseudo-linear representations using the state-dependent coefficient (SDC) method without linearization procedure. The aim of this control system is to achieve a stable attitude within 5°, and minimize the control effort. The stability regions for the SDRE controlled satellite system are estimated through the investigation of the stability conditions developed for pseudo-linear systems and the application of Lyapunov's theorem. For comparisons, the Linear Quadratic Regulator (LQR) method using the solution of the algebraic Riccati equation (ARE) is also applied to this non-linear system. The performance of the SDRE non-linear control system demonstrates more robustness and stability than the LQR control system when subjected to a wide range of initial conditions.     

固连于可控旋转平台相机的外参标定

为了进行大视场角的测量任务,可以将相机安装在运动精确可控的平台上,以平台的姿态运动来扩展相机的视场角。相机相对于平台的位姿关系的精确标定是保证测量结果准确的前提。本文主要利用一维标志物体,根据成像关系,建立了外参标定的约束方程;发展了线性求解外参的方法,以及非线性优化的标定方法。为了克服线性法正交性差,以及非线性优化法不能求解平移向量的缺点,总结出了组合求解法,该方法可以应用于仅能够作旋转运动的平台。数值模拟和实验结果均表明姿态角的标定精度较高,而平移向量则对噪声十分敏感。最后分析了算法偶尔出现奇异的原因。     

卫星姿态测量信息的卡尔曼滤波技术研究

本文在研究由陀螺仪、红外地球敏感器和太阳敏感器组成的卫星姿态测量系统的基础上，应用了改进的卡尔曼滤波算法进行信息处理，克服了卡尔曼滤波器的发散现象。本文还提出了限定增益系数的方法，以抑制俯仰角过大的估计误差。本文设计的卡尔曼滤波器适用于对地观测卫星的测量系统，能获取较低噪声的姿态测量信息。     

Robust attitude control for rapid multi-target tracking in spacecraft formation flying

A robust attitude tracking control scheme for spacecraft formation flying is presented. The leader spacecraft with a rapid mobile antenna and a camera is modeled. While the camera is tracking the ground target, the antenna is tracking the follower spacecraft. By an angular velocity constraint and an angular constraint, two methods are proposed to compute the reference attitude profiles of the camera and antenna, respectively. To simplify the control design problem, this paper first derives the desired inverse system （DIS）, which can convert the attitude tracking problem of 3D space into the regulator problem. Based on DIS and sliding mode control （SMC）, a robust attitude tracking controller is developed in the presence of mass parameter uncertainties and external disturbance. By Lyapunov stability theory, the closed loop system stability can be achieved. The numerical simulations show that the proposed robust control scheme exhibits significant advantages for the multi-target attitude tracking of a two-spacecraft formation.     

Decentralized coordinated attitude control for satellite formation flying via the state-dependent Riccati equation technique

The goal of the present study is to develop a decentralized coordinated attitude control algorithm for satellite formation flying. To handle the non-linearity of the dynamic system, the problems of absolute and relative attitude dynamics are formulated for the state-dependent Riccati equation (SDRE) technique. The SDRE technique is for the first time utilized as a non-linear controller of the relative attitude control problem for satellite formation flying, and then the results are compared to those from linear control methods, mainly the PD and LQR controllers. The stability region for the SDRE-controlled system was obtained using a numerical method. This estimated stability region demonstrates that the SDRE controller developed in the present paper guarantees the globally asymptotic stability for both the absolute and relative attitude controls. Moreover, in order to complement a non-selective control strategy for relative attitude error in formation flying, a selective control strategy is suggested. This strategy guarantees not only a reduction in unnecessary calculation, but also the mission-failure safety of the attitude control algorithm for satellite formation. The attitude control algorithm of the formation flying was tested in the orbital-reference coordinate system for the sake of applying the control algorithms to Earth-observing missions. The simulation results illustrate that the attitude control algorithm based on the SDRE technique can robustly drive the attitude errors to converge to zero.     

模糊神经网络预测在卫星姿态测量中的应用

以满足对地观测卫星测姿精度为目标,将由惯性基准、红外地平仪和太阳敏感器测姿过程视为典型的建模问题,讨论了基于自适应神经网络的模糊推理系统(ANFIS)的卫星姿态预测。仿真结果表明,ANFIS预测能够满足卫星姿态测量精度的要求,具有较强的容错性,同时该方法可将俯仰、横滚和偏航三个姿态分离建模,有利于提高卫星姿态测量的可靠性,为卫星姿态测量信息处理提供了一种新的方法。     

大型液体火箭姿控与跷振大回路耦合动力学建模与分析

大型液体火箭结构模态的空间化分布特征导致结构振动、姿态运动和推进系统液路脉动存在相互耦合,进而影响传统姿控回路的稳定性. 针对大型液体火箭, 充分考虑姿态控制系统对箭体姿态动力学和弹性振动的影响, 以及箭体结构弹性振动与推进系统的耦合作用(跷振(POGO)), 建立了姿控与跷振大回路耦合模型. 该模型包含了推进系统、结构系统与姿控系统之间的耦合因素, 可进行姿控-结构-推进大回路耦合机理研究. 该模型具有非奇异的优点, 可以直接用于频域分析和时域仿真. 基于该模型研究了我国某型号液体捆绑火箭推进系统参数——泵增益和蓄压器能量值对姿态运动与结构振动稳定性的影响. 研究得出, 泵增益和蓄压器能量值的变化不仅导致了结构振动的不稳定, 而且也导致了姿态运动的发散. 因此, 对于大型液体捆绑火箭, 推进系统与姿控系统之间存在不可忽略的耦合作用, 在设计姿控系统时, 有必要考虑推进系统对姿控系统稳定性的影响.      

航空遥感用三轴惯性稳定平台动力学建模与仿真

航空遥感用三轴惯性稳定平台由于其机械结构特点,飞机姿态的扰动会耦合到安装在平台的相机上,影响相机的成像质量。为了对复杂耦合关系进行分析,从分析力学的角度出发,采用拉格朗日第二类方程,考虑轴承摩擦,建立了航空遥感用三轴惯性稳定平台动力学模型。在此基础上,对基座振动对相机相对于惯性系的扰动进行了数值仿真。仿真结果表明:基座振动同框架间的耦合力矩相比,基座振动对相机相对于惯性系的扰动占主导作用。当轴承间为动摩擦时,基座振动频率越高,对相机相对惯性系的扰动越小,并从理论上证明了此结论的正确性。研究结果为深入研究航空遥感用三轴惯性稳定平台的振动主动控制提供了理论依据。     

纯引力轨道检验质量的相对测量技术

纯引力轨道是物体在太空仅受引力作用的运行轨道, 通过构造纯引 力轨道, 可实现超高精度的空间引力探测, 也可为科学实验提供超稳定卫星 平台. 作为纯引力轨道构造的核心, 检验质量的相对测量不仅提供了部分任 务科学数据, 还为航天器平台的跟踪控制提供输入. 首先, 描述了纯引力轨道 的概念内涵, 总结了它在卫星重力测量、引力波探测等方面的应用情况. 其 次, 综述了不同任务对相对测量的需求, 给出了电容式测量、磁感应测量和 光学测量的原理, 总结了各自的优缺点. 根据检验质量的姿态运动, 将检验质 量质心相对状态解算问题分为3 类, 给出了基于检验质量姿态动力学与表面 建模的典型解算模型和质心速度估计方法. 最后分析了非引力干扰的理论计 算、地面实验验证和在轨实验验证问题.      

New-type of flying control for spinning TVC vehicle

A new kind of problem for TVC vehicle spinning in the boost stage had been researched. The study of non-linear flying dynamics modeling and dynamic properties of TVC vehicles reveal dominant coupled factors that affect the attitude stability and attitude precision of the pitch channel and yaw channel. The paper emphasizes the inertial delay coupled effects between vehicle＇s pitch servo system and yaw servo system, which have always been neglected. An uncoupled plan and control algorithm are put forward from the standpoint of engineering implementation to provide theoretical guidance and reference for further research on this complicated flying control.