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1、航天器姿态动力学与控制航天器姿态动力学与控制讲授教师：李立涛学科专业：飞行器设计绪论绪论绪论 单自旋稳定航天器双自旋稳定航天器风云二号卫星QuickBird卫星对地定向卫星(气象卫星、资源、侦查卫星等)哈勃太空望远镜对天体定向的航天器嫦娥一号卫星(三体定向)对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论绪论天线对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论绪论日本技术实验卫星7号(ETS VII)对地观测卫星的姿态机动章节安排章节安排第一部分 航天器姿态动力学l绪论l第1章 航天器姿态运动学 l第2章 航天器姿态动力学基本方程 第3章 空间环境力矩第4章 自旋、双自旋航天器的姿态动力学第5章 重力梯度稳定航天器的姿态动力
2、学第6章 三轴稳定航天器的姿态动力学 绪论 第二部分 航天器姿态控制l第7章 航天器姿态确定基础 l第8章 自旋、双自旋航天器的姿态确定 第9章 三轴稳定航天器的姿态确定 第10章 自旋、双自旋航天器的姿态控制 第11章 三轴稳定航天器的姿态控制 第12章 航天器姿态控制系统设计概述 绪论 章节安排章节安排参考书目参考书目1. 空间飞行器姿态控制系统 杨大明编著.哈尔滨工业大学出版社, 2002 2.卫星姿态动力学与控制 屠善澄主编. 宇航出版社, 20013. 卫星轨道姿态动力学与控制 章仁为编著. 北京航空航天大学出版社, 19984.空间飞行器飞行动力学 刘暾、赵均著。哈尔滨工业大学出版
3、社,2003 5. 空间飞行器动力学与控制 卡普兰著.北京:科学出版社,1981 绪论 第第1章章 航天器姿态运动学航天器姿态运动学航天器常用坐标系航天器常用坐标系黄道、赤道、春分点航天器常用坐标系航天器常用坐标系地心赤道惯性坐标系航天器常用坐标系航天器常用坐标系地心赤道旋转坐标系航天器常用坐标系航天器常用坐标系轨道坐标系和星体坐标系的示意图姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角基元旋转矩阵姿态参数姿态参数-欧拉角欧拉角zxz旋转顺序姿态参数姿态参数 - 欧拉角欧拉角方向余弦矩阵和zxz顺序欧拉角的关系姿态参数姿态参数 - 欧拉角欧拉角zxy旋转顺序2. 方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系姿态参数
4、姿态参数 - 欧拉角欧拉角3. 方向余弦矩阵和zyx顺序的欧拉角的关系姿态参数姿态参数 - 欧拉角欧拉角姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角欧拉轴/角坐标变换示意图姿态参数姿态参数 欧拉轴欧拉轴/角角姿态参数姿态参数 欧拉参数欧拉参数(姿态四元数姿态四元数)欧拉参数与方向余弦矩阵的关系第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程刚体模型尖兵一号甲美国XSS-10卫星探险者一号卫星单自旋准刚体模型第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程实践一号甲东方红二号第第2章章
5、 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程双自旋准刚体模型双自旋陀螺体模型第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程多刚体模型美国QuickBird卫星刚体-挠性体混合系统风云一号第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程刚体-挠性体-液体的混合系统美国TDRS卫星第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程日本Jers-2卫星第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程刚体-挠性体-液体的混合系统日本ETS VII卫星第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程多刚体-挠性体-液体的混合系统日本ETS
6、 VIII卫星第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程刚体-挠性体-液体的混合系统大型挠性体系统第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程大型挠性空间结构大型挠性空间结构(太阳帆太阳帆)第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第第2章章 航天器姿态动力学基本方程航天器姿态动力学基本方程第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩美国子午导航卫星美国子午导航卫星(重力梯度卫星重力梯度卫星)第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩中巴资源一号卫星(太阳光压力矩较大的例子)第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩反射类型第
7、第3章章 空间环境力矩空间环境力矩第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩大气密度分布图第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩当地磁测坐标系的示意图 第第3章章 空间环境力矩空间环境力矩航天器环境力矩相对幅值第第4章章 自旋、双自旋航天器自旋、双自旋航天器 姿态动力学姿态动力学第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学东方红-1号卫星伽利略木星探测器伽利略木星探测器第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学美国”Lunar Prospector”月球探测器第第4章章 自旋、双自
8、旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学美国Clementine月球探测器第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学国际通信卫星IV国际通信卫星VI第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学东方红二号试验通信卫星东方红二号试验通信卫星甲第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学风云二号气象卫星第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋体的本体锥自旋体的本体锥第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器
9、姿态动力学扁粗体航天器的空间锥和本体锥第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学细长体航天器的空间锥和本体锥第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋航天器在惯性空间的运动自旋航天器在惯性空间的运动第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学能量椭球和角动量椭球的交线(本体极迹)第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学一般刚体自由姿态运动的本体极迹第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学不变平面和不变线的定义Poinsot椭圆在不变平面上的无滑动滚动第第4章章
10、 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学推力倾斜的自旋航天器第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学带有姿控推力器的自旋航天器第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学美国探险者一号卫星第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学有能量耗损时的本体极迹第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学一般准刚体的姿态动力学模型注：美国“伽利略”号木星探测器采用的动力学模型第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学带有管球型章动阻尼器的自旋卫星第第4章章 自
11、旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学InterSat-IV 通信卫星InterSat-III 通信卫星第第4章章 自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋、双自旋航天器姿态动力学轴对称双自旋航天器第第5章章 重力梯度稳定航天器重力梯度稳定航天器姿态动力学姿态动力学(a) (b) 第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度稳定航天器姿态动力学平面运动的相轨迹 第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度稳定航天器姿态动力学美国子午仪一号导航卫星第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯度加恒值动量轮第第5章章 重力梯度稳定航天器姿态动力学重力梯
12、度稳定航天器姿态动力学第第6章章 三轴姿态三轴姿态稳定航天器稳定航天器姿态动力学姿态动力学第第6章章 三轴姿态稳定航天器姿态动力学三轴姿态稳定航天器姿态动力学惯性轮框架动量轮11.2 采用角动量交换装置的姿态控制系统采用角动量交换装置的姿态控制系统惯性轮惯性轮Dynacon MicroWheel 1000单框架控制力矩陀螺单框架控制力矩陀螺Astrium CMG 15-45s第第6章章 三轴姿态稳定航天器姿态动力学三轴姿态稳定航天器姿态动力学带有多个惯性轮的三轴稳定航天器示意图第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础坐标系绕单参考矢量的转
13、动第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础双矢量定姿中观测矢量存在误差的情况第第7章章 航天器姿态确定基础航天器姿态确定基础平台惯导的稳定平台第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定姿态确定自旋轴的赤经、赤纬第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定余弦定理: 正弦定理:球面三角公式第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定球面直角三角公式(10个常用公式)1.已知一直角边及其邻角，求该角对应的直角边V型狭缝式太阳敏
14、感器的测量几何第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定常用的V型狭缝式太阳敏感器的测量几何第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋扫描式红外地球敏感器测量原理图 地球弦宽测量几何 第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定星体对地球的视角半径双锥相交法示意图 第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定航
15、天器中心天球示意图 第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定三体锥确定唯一姿态的几何原理图第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第第8章章 自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定用转动角确定姿态唯一解的示意图第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定余弦检测器的工作原理第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定模拟式太阳敏感器的工作原理第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定编码式
16、太阳敏感器的测量原理第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定CCD太阳敏感器的测量原理第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定单轴太阳敏感器的测量几何及数学模型第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定双轴太阳敏感器的测量几何及数学模型第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定单圆锥扫描式地球敏感器第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定圆锥扫描式地球敏感器的工作原理第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定圆锥扫描式地球敏感器的测量几何第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定
17、航天器的姿态确定圆锥扫描红外敏感器的两种典型布局第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定双地平摆动扫描地球敏感器测量原理第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定辐射热平衡式地球敏感器的原理第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定恒星在CCD上成像的几何关系第第9章章 三轴稳定航天器的姿态确定三轴稳定航天器的姿态确定“东方红三号”卫星太阳敏感器安装位置第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿自旋、双自旋航天器的姿态控制态控制第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制同步轨道卫星远地点变轨的几何关系自旋、双自旋航天
18、器自旋轴姿态的星- -地大回路控制第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制美国Clementine月球探测器第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋体的本体锥自旋体的本体锥喷气力矩作用下姿态运动示意图第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制角动量进动示意图第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控
19、制自旋、双自旋航天器的姿态控制第第10章章 自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋、双自旋航天器的姿态控制第第11章章 三轴稳定航天器的姿态控制三轴稳定航天器的姿态控制 l11.1 三轴稳定航天器的喷气控制 l11.2 采用角动量交换装置的姿态控制 1) 整星零动量轮控系统 2) 偏置动量轮控系统 l11.3 航天器姿态捕获与姿态机动控制 第第11章章 三轴稳定航天器的姿态控制三轴稳定航天器的姿态控制喷气姿态控制系统系统框图11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 推进系统种类推力器电磁阀结构原理图 11.1 三轴稳定航天
20、器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 喷气执行机构的动态特性 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 理想开关特性的推力器数学模型带有时延开关特性的推力器数学模型典型的6+2姿控推力器布局图（HY-1A）11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 神舟飞船的推进系统推力器布局11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 正力矩作用下的相轨迹曲线 不同力矩作用下的相轨迹曲线 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 负力矩作用下的相轨迹曲线 零力矩作用下的相轨迹曲线 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 理
21、想继电控制器的喷气姿态系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 理想继电控制器的喷气控制系统相平面图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 带有死区特性的继电控制器的喷气姿态系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 带有死区特性的继电控制器的相轨迹 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 带有死区特性的继电控制器的相轨迹(有常值干扰力矩) 死区特性继电器+比例微分环节控制器的单轴喷气姿态控制系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴
22、稳定航天器的喷气控制 带有死区特性继电器+比例微分环节控制器的相轨迹 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 斯密特环节+比例微分环节控制器的单轴喷气姿态控制系统框图 带有斯密特控制器的单回路姿态控制系统相轨迹(无滑行现象)11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 带有斯密特控制器的单回路姿态控制系统相轨迹(滑行现象)常值正干扰力矩形成单边极限环的情况 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 考虑推力器时延的极限环 1
23、1.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 用速率陀螺得到姿态角速率的方法用速率陀螺得到姿态角速率的方法11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 采用超前校正控制器的单轴喷气姿态稳定控制系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 数字式相平面控制律11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 采用伪速率控制器的单轴喷气姿态控制系统框图 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 伪速率控制器的工作特性 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天
24、器的喷气控制 连续控制系统离散控制系统采用脉宽调制器的喷气姿态控制系统框图脉宽调制器：11.1 三轴稳定航天器的喷气控制三轴稳定航天器的喷气控制 整星零动量轮控系统的构型方案三正交反作用轮方案由偏置动量轮组成的整星零动量方案11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统直流电动机动态原理图 11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统直流电机等效数学模型11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统力矩模式的飞轮等效模型框图 11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮
25、控系统转速模式飞轮的等效模型框图 11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统零动量轮控系统框图 整星零动量轮控系统数学模型的简化整星零动量轮控系统数学模型的简化11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统选择zyx顺序的姿态角作为姿态参数（2）1. 姿态动力学模型(带有惯性轮的刚体)（1）飞轮控制力矩11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统简化假设条件： 1）飞行器的轨道为近圆轨道 ； 2）飞行器的体坐标系与其主惯量坐标系重合； 3）正常控制时，姿态角和姿态角速度均为小量线性化后的姿态动
26、力学模型为：11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统2. 执行机构环节(1) 力矩模式飞轮等效模型（2）转速模式飞轮等效模型3. 姿态确定环节结论：采用陀螺进行姿态预估时，可视为比例环节11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统假设：1）采用三正交反作用轮构型方案 2）对地定向低轨卫星(刚体) 3）采用力矩模式反作用飞轮 4）姿态确定环节时间常数忽略不计姿态动力学模型：整星零动量轮控系统的设计11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统1. 俯仰通道设计当 时， 闭环时域方程为11.2
27、整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统控制律：11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统（1） 脉冲干扰力矩（2） 阶跃干扰力矩11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统(3) 周期干扰力矩结论：周期性干扰作用下，存贮到飞轮的最大动量矩是有限量。 轮控系统适用于存在周期性干扰力矩的环境。 2. 滚动-偏航通道设计控制律：PDPD控制控制+ +角动量解耦回路角动量解耦回路11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统3正交+1 斜装构型方案11.2 整星零动量三轴
28、稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统1. 根据期望控制力矩计算飞轮指令2. 控制指令分配3. 实际产生的控制力矩11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统四反作用轮斜装方案11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统按功耗最省得到的分配矩阵：11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统(最佳安装角) 最佳安装角：11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统 单轮可靠性安装构型冗余度三正交无备份00.7290.77060.8574三正交各加备
29、份10.97030.97940.9925三正交加一斜装10.94770.96290.9860四个斜装10.94770.96290.9860五个斜装20.991440.99500.9988六个斜装30.998730.99940.9999轮控系统构型的冗余度与可靠性的关系11.2 整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制对地定向偏置动量三轴稳定航天器示意图俯仰通道简化动力学模型：滚动-偏航通道简化动力学模型：11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系
30、统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制开环系统特征方程式为 简写为：长周期自由运动短周期自由运动11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量飞行器自由运动的姿态示意图11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制滚动-偏航通道的自由姿态运动11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制外干扰情况下星体角动量的运动示意图11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮
31、控系统的姿态稳定控制忽略章动运动11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制控制思想：解耦控制滚动-偏航通道姿态动力学方程偏置动量三轴稳定航天器滚动-偏航角的转换 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制固定偏置动量轮控系统典型构型斜置喷气控制 磁力矩器控制 双动量轮V型构型11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制单自由度偏置动量轮控系统典型构型1动量轮+1反作用轮构型框
32、架动量轮构型方案1动量轮+2反作用轮构型方案11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制双自由度偏置动量轮控系统典型构型采用推力器的固定偏置动量轮控系统结构 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制长周期运动姿态系统方框图 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制当闭环系统复域方程式11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制开环系统复域方程11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11
33、.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制闭环系统复域方程式闭环系统特征方程式根轨迹标准形式短周期运动姿态稳定系统的根轨迹图 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制固定偏置动量控制系统姿态稳定系统方框图 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制滚动和偏航通道的开环传递函数： 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制闭环系统复域方程式11.3
34、偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制根轨迹标准形式滚动通道的开环传递函数： 固定偏置动量控制姿态稳定系统的根轨迹图 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制当11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制用伪速率控制器代替比例微分环节的控制系统框图 固定偏置动量控制系统滚动-偏航姿态运动描述 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制用双脉冲控制来阻尼章动运动的工作原理 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮
35、控系统的姿态稳定控制时作用一个脉冲后的章动半径 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制典型的滚动-偏航双脉冲控制器结构 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制用正负双脉冲消除双边极限环的原理 11.3 偏置动量轮控系统的姿态稳定控制偏置动量轮控系统的姿态稳定控制11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制一种典型的对地观测卫星敏感器布局示意图 星体单轴转速控制框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制 0-1太阳敏感的配置和安装示意图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制11.4 姿态
36、捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制双轴太阳敏感器的测量几何及数学模型11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制对日定向控制单轴姿态控制原理框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制消初偏控制回路框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制地球捕获回路控制框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制姿态稳定控制回路11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制偏航姿态角加速度和角速度的一种参考轨迹 11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获和姿态机动控制基于四元数的姿态稳定控制框图 11.4 姿态捕获和姿态机动控制姿态捕获
37、和姿态机动控制第第12章章 航天器姿态控制系统设计概述航天器姿态控制系统设计概述 12.1 12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统12.2 12.2 航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术12.3 12.3 航天器姿态控制系统设计和实现航天器姿态控制系统设计和实现12.4 12.4 航天器姿态控制系统方案设计范例航天器姿态控制系统方案设计范例 12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统自旋稳定飞行器原理重力梯度稳定飞行器原理美国子午仪一号导航卫星12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统重力梯度加恒值动量轮的姿态稳定控制 重力梯度加陀螺力矩器的姿态稳定控制 12.1 航天
38、器姿态控制系统航天器姿态控制系统半主动自旋姿态稳定控制 半主动双自旋姿态稳定控制 12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统纯三轴喷气姿态控制系统 12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统偏置动量飞轮姿态控制系统 12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统零动量飞轮三轴姿态控制系统 一种混合姿态控制系统12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统12.1 航天器姿态控制系统航天器姿态控制系统姿控系姿控系统类型统类型名称名称指向精度指向精度姿态机动姿态机动能力能力寿命寿命被动自旋稳定110度无7-10年重力梯度稳定110度无10年半被动重力梯度+恒值飞轮0.55度无7-10年重力
39、梯度+半被动阻尼器15度无7年半主动半主动自旋稳定0.11度有一定能力7-10年半主动双自旋稳定0.11度有一定能力5-10年主动纯三轴喷气姿态稳定0.11度任意130天零动量轮控系统0.011度任意27年偏置动量轮控系统0.11度有一定能力515年混合系统分级控制/多自由控制0.011度-不同类型姿态控制系统的比较12.2 航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术航天器特点：航天器特点： 环境条件恶劣、不可维修性航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术： 以控制理论、计算机技术和相似原理为基础，用模型代替实物系统进行实验。航天器控制系统仿真系统分类：航天器控制系统仿真系统分类： (1
40、) 全数字仿真 (2) 半物理仿真 (3) 全物理仿真12.2 航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术航天器姿态控制全数字仿真系统12.2 航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术卫星半物理仿真系统12.2 航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术12.2 航天器控制系统仿真技术航天器控制系统仿真技术三轴气浮台全物理仿真系统 12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现航天器姿态控制系统的设计与实现航天器姿态控制系统设计的目的航天器姿态控制系统设计的目的： 在考虑飞行器运行环境和寿命及可靠性要求的基础上，根据控制系统部件及相关技术的发展水平，选择适当的控制系统构型，在整星的制约条件范
41、围内，以最经济而可靠的手段满足飞行任务对飞行器姿态控制系统的功能和性能要求。 姿态控制系统设计的三个阶段：姿态控制系统设计的三个阶段： (1) 概念研究阶段 (2)方案设计阶段 (3)技术设计阶段1. 概念研究阶段的任务概念研究阶段的任务 1）进行飞行任务分析，明确姿态控制系统功能和性能； 2）选择姿态控制类型； 3）确定姿态控制系统的基本构型； 4）敏感器和执行机构的配置。 5）确定飞行程序和控制模式 2. 方案设计阶段的任务方案设计阶段的任务 1）选择合适的姿态控制系统部件（姿态敏感器、控制器 和执行机构）并确定其功能和性能指标； 2）建立和验证姿态控制系统的数学模型； 3）确定姿态确定算
42、法并进行控制算法或控制律的设计， 对系统模型进行稳定性分析和数学仿真。 12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现航天器姿态控制系统的设计与实现3. 技术设计阶段的任务技术设计阶段的任务 技术设计是在方案设计的基础上根据飞行器结构、能源、测控、热控和运载发射等技术约束条件以及飞行器总体对姿态控制系统的可靠性和安全性要求，对姿态控制系统进行技术实现的详细设计和试验。技术设计内容：技术设计内容：1) 明确姿态控制系统的配置构型及各部件的技术指标；2）机、电、热接口设计 3）遥测、遥控、程控数据注入技术要求设计 4）电磁兼容性设计 ；5）可靠性和安全性设计；12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现航天器姿态控制系统的设计与实现12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例航天器姿态控制系统的方案设计范例12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例航天器姿态控制系统的方案设计范例中巴资源一号卫星控制要求12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例航天器姿态控制系统的方案设计范例12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例航天器姿态控制系统的方案设计范例消初偏控制回路12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例航天器姿态控制系统的方案设计范例地球捕获控制回路框图 12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例航天器姿态控制系统的方案设计范例轮控系统框图
