第五章 三轴稳定航天器的姿态控制

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1、第五章第五章三轴稳定航天器的姿三轴稳定航天器的姿态控制态控制§5.1三轴稳定姿态控制系统的任务§5.2零动量航天器的喷气控制§5.3零动量航天器的飞轮控制§5.4偏置动量姿态控制§5.5姿态捕获与姿态机动§§5.15.1三轴稳定姿态控制的任务三轴稳定姿态控制的任务5.1.1基本任务5.1.2设计指标5.1.3主动控制系统的类型5.1.15.1.1基本任务基本任务•速率阻尼星箭分离•姿态捕获•姿态粗控•姿态精控速率阻尼姿态捕获姿态粗控姿态精控模式模式模式模式•姿态机动•故障模式•模式切换姿态机动模式5.1.25

2、.1.2设计指标设计指标•可靠性•稳定性ò幅值稳定裕度ò相位裕度•稳态精度ò姿态指向精度(3σ)ò姿态稳定度(3σ)•动态响应ò机动时间或机动速度5.1.35.1.3主动控制系统的分类主动控制系统的分类零动量系统喷气推力器飞轮控制力矩陀螺偏置动量系统固定偏置动量系统(WHECON)单自由度动量系统两自由度动量系统零动量姿态控制系统零动量姿态控制系统•整星动量ò标称状态下整星动量为零ò多用于对姿态稳定度要求较高的卫星，如遥感卫星•“3正交”轮系构形ò反作用轮ò法国SPOT卫星•“3正交+1斜装”轮系构形ò偏置动

3、量轮ò美国的陆地卫星ò中国的“资源一号”偏置动量姿态控制系统偏置动量姿态控制系统•整星动量ò标称状态下整星在某一个方向(一般在轨道角速度方向)有一个非零的角动量值；ò比姿态角速率产生的角动量值大一个数量级以上。•用途ò多用于对姿态指向要求较高的卫星；ò如地球静止轨道卫星。•优点ò不需要偏航敏感器；ò抗干扰性能好。固定偏置动量系统固定偏置动量系统•系统描述ò在星体俯仰轴负向有偏置角动量•安装形式ò在俯仰轴上安装两个动量轮¾一个动量轮处于工作状态¾另一个动量轮处于冷备份状态¾动量轮的转速在其标称值的±10%~±2

4、0%范围内变动以提供俯仰通道的控制角动量ò滚动和偏航靠斜装的姿控发动机控制•应用实例òIntelsat-V、RCA-3000系列、TV-SAT、Eutesat-II等通信广播卫星单自由度动量系统单自由度动量系统•系统描述ò在星体俯仰轴负向有偏置角动量ò在滚动-偏航平面内还有一个自由度的角动量•安装形式òV型安装的动量轮•应用实例òARABSAT、INSAT、Intelsat-VII等通信卫星òMOS-1海洋观察卫星两自由度动量系统两自由度动量系统•系统描述ò在星体俯仰轴负向有偏置角动量ò在星体滚动轴上有一个自

5、由度的控制角动量ò在星体偏航轴上有一个自由度的控制角动量•安装形式ò滚动和偏航轴可以通过改变偏置动量获得控制动量，或者在滚动和偏航轴各装一个反作用轮ò双框架动量轮•应用实例ò90年代发射的HS-601平台§§5.25.2零动量航天器的喷气控制零动量航天器的喷气控制5.2.1喷气推力姿态稳定原理5.2.2喷气姿态稳定系统的非线性控制律5.2.3航天器的喷气推力器系统5.2.15.2.1喷气推力姿态稳定原理喷气推力姿态稳定原理•喷气三轴姿态控制系统组成•喷气执行机构的工作原理•喷气执行机构的特点喷气三轴姿态控制系

6、统组成喷气三轴姿态控制系统组成推力器正姿态动力学敏感器负推力器控制器开关指令期望姿态角速度期望姿态角⎧Iω&−(I−I)ωω=M+Mxxyzyzcxdx⎪⎨Iyω&y−(Iz−Ix)ωzωx=Mcy+Mdy⎪Iω&−(I−I)ωω=M+M⎩zzxyxyczdz喷气执行机构的工作原理喷气执行机构的工作原理•开关控制•电磁阀控制ò施加电压uu•特性M⎧−M−u≥u0⎪Mc=⎨0−uc≤u≤uc⎪Mu≤u⎩0-u0-ucu0ucu0u0喷

7、气执行机构的特点喷气执行机构的特点•喷气推力器可以在轨道上任何位置工作，不受外界其它因素影响，应用广泛；•沿卫星本体轴产生的控制力矩远大于耦合力矩，可以实现三轴解耦姿态稳定控制，使控制逻辑简单灵活；•喷气产生的力矩大，过渡过程时间短，在控制器设计时可忽略干扰力矩的影响；•喷气特别适用于非周期大干扰力矩的场合和工作寿命比较短的低轨道航天器；•喷气一般采用固定推力发动机和开关控制；•喷气实际是一种继电系统，稳定状态是极限环。5.2.25.2.2喷气姿态稳定系统的控制律喷气姿态稳定系统的控制律•研究工具和数学模型•

8、基于位置反馈的继电控制律•基于位置和速度反馈的死区继电控制律•含超前校正网络的死区迟滞继电控制律•准线性喷气推力器•极限环的特点与设计研究工具和数学模型研究工具和数学模型研究工具数学模型•经典方法ò相平面法⎧Ixϕ&&=Mcx+Mdxò描述函数法⎪I&&=M+M⎨θycydy•现代方法⎪I&&=M+Mψ⎩zczdzò微分几何òLyapunov稳定理论基于位置反馈的继电控制律基于位置反馈的继电控制律u