卫星姿态动力学与控制(1)ppt课件.ppt

1,01.,02.,03.,CONTENT,概述,01,1、卫星姿态动力学,2、卫星姿态控制系统,4、卫星执行机构,3、卫星姿态敏感器,姿态：指卫星相对于空间某参考坐标系的方位或指向,概念研究,方案设计,技术设计,姿态捕获,姿态确定,姿态稳定,姿态机动,卫星变轨时姿态稳定,其他分系统部件的控制,姿态控制系统,建立系统数学模型,模型验证、分析,接口,电磁匹配,安全性、可靠性,主要内容,02,1、姿态和姿态动力学基础,姿态参数-欧拉角,基元旋转矩阵,姿态参数-欧拉角,zxz旋转顺序,zxy旋转顺序,姿态参数欧拉轴/角,欧拉轴/角坐标变换示意图,姿态动力学,运动学方程：运动参数之间的相互关系。动力学方程：运动和作用力之间的关系。,动力学基本定理,拉个朗日方程,哈密尔顿,1、动量定理2、动量矩定理,对于完整系统用广义坐标表示的动力方程。,哈密顿原理是以变分为基础，设系统的动能为T，势能为V，非保守力的虚元功为w时，则哈密顿原理可以表示为,动力学模型,刚体模型,尖兵一号甲,美国XSS-10卫星,东方红二号,双自旋准刚体模型,双自旋陀螺体模型,多刚体模型,美国QuickBird卫星,刚体-挠性体混合系统,风云一号,探险者一号卫星,单自旋准刚体模型,实践一号甲,日本ETSVII卫星,多刚体-挠性体-液体的混合系统,大型挠性体系统,航天器环境力矩相对幅值,2、环境力矩,重力梯度力矩,气动力矩,大气密度分布图,卫星所受气动示意图,太阳辐射力矩,中巴资源一号卫星(太阳光压力矩较大的例子),太阳光压造成，地球返照及大气红外辐射是次要的辐射源。,辐射力矩,反射类型A、镜面反射，b、漫反射，c、部分漫反射,地磁力矩,3、自旋与双自旋卫星姿态动力学,自旋：钢体,双自旋：陀螺体,的运动方式沿本体锥运动,由于y和z周期性变化，所以在本体坐标系Oyz平面内，绕Ox轴以速率旋转，而幅值恒定。由此可见，星体的瞬时转速绕自旋轴Ox作圆锥运动。,考虑到在无外力矩作用下，航天器动量矩H守恒，即在空间中固定不变，由于绕Ox轴旋转，因此Ox也必然作圆锥运动，才可能使得它们的合矢量H在空间定向(1)航天器动量矩H、瞬时转速和自旋轴Ox3个矢量必定在同一平面内。(2)在空间的运动由两种圆锥运动合成，一是绕自旋轴Ox(即方向)的圆锥运动，其转速速率为；二是绕动量矩H的圆锥运动，其转速速率为,Ox沿H动量矩空间锥运动,本椎体与空间体,考虑到在无外力矩作用下，航天器动量矩H守恒，即在空间中固定不变，(1)航天器动量矩H、瞬时转速和自旋轴Ox3个矢量必定在同一平面内。(2)在空间的运动由两种圆锥运动合成，一是绕自旋轴Ox(即方向)的圆锥运动，其转速速率为；二是绕动量矩H的圆锥运动，其转速速率为,钢体本体极迹,一般刚体自由姿态运动的本体极迹,a、b、c、d、e代表着五种情况1、以恒定角速度绕最大惯量轴转动ob12、c、c“为不稳定平衡轴ob23、以恒定角速度绕最小惯量轴转动ob3,自旋卫星的稳定,一个绝对刚体无论绕最大惯量轴或者绕最小惯量轴的旋转都是稳定的，但是由于鞭状天线的弯曲提供了一种通过结构阻尼耗散能量的机构。因为损失了机械能，动量矩守恒原理迫使卫星绕着一根与旋转对称轴倾斜的轴进动，进动和弯曲运动的动力学耦合能使能量耗散过程继续下去，直到获得最小能量动力学状态，绕最大惯量轴旋转。假设用来表示自旋轴惯量与横向惯量之比：,带有管球型章动阻尼器的自旋卫星,章动阻尼特性,双自旋稳定性,假设自旋部分和消旋部分都近似于刚体，均相对于自旋轴对称，消旋体绕自旋轴角速度为零，则：(1)由于星体内可动部件的影响，惯量比大于1(短粗)的双自旋卫星的自旋运动是稳定的。(2)惯量比小于1(细长)的双自旋卫星，只要消旋部分的可动部件引起的能量耗散足够快，其运动也是稳定的。(3)短粗双自旋卫星的惯量比设计准则与自旋卫星相同。(4)细长双自旋卫星，为保证稳定，须在消旋部分安装被动章动阻尼器，或者在星上设置主动章动控制系统。,4、重力梯度稳定卫星姿态动力学,重力梯度被动稳定就是航天器利用地球或其他天体的引力场，在不依赖飞轮、推力器和伺服系统等主动控制部件的情况下，获得对地球或其他天体姿态定向的一种稳定方式。优点是长寿命，功耗需求低；缺点则是制力矩小，需要天平动阻尼，且指向精度低，例如各轴精度在110左右。,重力梯度设计,(1)增大起稳定作用的恢复力矩和限制扰动力矩。(2)捕获重力场。(3)必须包含阻尼天平动。,重力梯度稳定区域,重力梯度加恒值动量轮,5、带扰性附件卫星姿态动力学,刚体-挠性体混合系统,风云一号,大型挠性空间结构(太阳帆),扰性附件卫星动力学,一般选用混合坐标，1、钢性主体选用欧拉角，2、扰件选用模态振动方程,简单,复杂,简化成均匀量梁，用常微分方程和片微分方程求解,有限元分析法进行模态分析：振型、频率和偶尔系数，根据附件钢体连接处，建立整星有限自由度。,质量消耗扰性附件,把推进剂作为固体质点，设置偏置角动量，推进剂的消耗对卫星具有反作用力和力矩,模态截断和溢出,模态阶段：为了方便起见，在工程设计中，对动力学方程进一步降阶，截区对系统影响较小的模态，保留影响较大的模态坐标。模态溢出：在实际情况中，任然会激发被截取的模态坐标，被称为控制溢出。测量与分析时，留有足够的增益裕量或相位裕量，使得被截去的模态不会影响系统的稳定性和性能。,6、充液卫星姿态动力学,充液卫星的平衡状态,1、纯自旋状态，液体自由面是以自旋轴为中心轴的圆柱面，自旋轴是假想液体固化后的系统的惯量主轴之一。2、充液卫星必须绕最大惯量轴旋转，而且最大主惯量轴与其他两个主惯量轴有一定差距。3、在工程上因为自旋轴与主惯量轴有一小的倾斜角，使得主轴沿角动量矢量在空间定向，而自旋轴矢量将绕角动量矢量作圆锥运动，其旋转速率与自旋速率相同。这种圆锥运动被称为摇摆运动。,工作映射,03,01.,02.,CONTENT,45,KEYSIGHT,是德科技公司是全球领先的电子测量公司，通过无线，模块化和软件解决方案的创新改变当今的测量体验。凭借其惠普和安捷伦的传统，是德科技凭借世界一流的平台，软件和一致的测量科学，为无线通信，航空航天，国防和半导体市场提供解决方案。该公司近12,600名员工为100多个国家的客户提供服务。是德科技专注于测量，帮助科学家，研究人员和工程师以精确和自信的方式应对最棘手的挑战。借助我们的产品和服务，他们能够更好地实现可产生巨大差异的突破。是德科技致力于为电子设计、测试、测量和优化提供突破性的解决方案和可信赖的洞察力，帮助客户加速创新，创造一个安全互联的世界。,46,示波器,是德科技示波器，拥有较多优点：1、让产品更快上市，因为我们屡获殊荣的示波器提供超快的更新速率、超深的存储器，以及优质的电容触摸屏和种类繁多的示波器软件选件。2、生产高性能的产品，因为我们的示波器具有出色的信号完整性和广泛的示波器探头，能够为您带来值得信赖的测量。3、实现更低的总体拥有成本，因为我们能够将多台仪器的功能整合到一台主机中，并支持轻松升级。4、是德科技精简系列USB示波器外形紧凑，而功能毫不逊色。,47,示波器软件,广泛的示波器应用软件利用功能强大的是德科技应用软件，扩展您的示波器功能是德科技为您提供丰富的示波器一致性测试和调试应用软件，帮助您快速获得精确的测量结果。这些软件与示波器配合使用，能够帮助您快速、轻松地深入分析信号。一致性测试应用软件包括：DisplayPort、DDR、PCIExpress和USB等调试和分析应用软件包括：CAN/LIN、IC/SPI、FPGA、MILSTD1553、JTAG和RS232等,48,频谱分析仪（信号分析仪）,通过使用行业领先的分析工具，查看器件的真实性能，这些频谱分析仪工具能够帮助您:使用各种硬件平台满足不断变化的测试需求无论是研发领域追求的最高性能，还是制造环节恰到好处的性能利用业界最广泛的特定频谱分析软件，实施更深入的故障诊断或一键式测量在您优化测试以提升测量性能或吞吐量时，可以利用经过证明的测量科学以及能够保证测量完整性的深厚技术来获得可靠的测量结果通过升级功能特性和性能，延长测试资产的使用寿命,49,X系列信号分析仪,使用最广泛的特定应用软件，实现更深层次的故障诊断或执行一键式测量产品通过售后升级服务可以伴随技术的变化演进，包括频率、带宽、实时、CPU等不论您使用哪一款仪器，从研发到生产都能保持100%的代码兼容性，可确保在公司内部实现一致性测量。,通过切实可用的性能更快获得分析结果全新多点触控用户界面让测量设置变得简单明了，并提供定制视图利用实时频谱分析功能查看、捕获并分析最罕见的信号，包括已知和未知信号凭借510MHz带宽和75dBc无杂散动态范围，查看以往难以观测的信号使用本底噪声扩展（NFE）技术将测量噪声降低最多10dB，可以提高低电平信号测量的精度,50,基础频谱分析仪（BSA）,基础频谱分析仪（BSA）执行简单有效的操作在高达7GHz的频率上提供可靠的性能，可以提高生产效率、避免不必要的开支经过优化的测量速度和增值特性可以提高您的测试效率仪器的可用性得到改善，可以缩短您的学习时间和提高测试效率覆盖了频谱分析、信号监测和传输/反射测量等多种功能，能够满足更广泛的、严苛的射频测试需求,51,FieldFox和HSA手持式频谱分析仪,在射频或微波频率上选择精密型或经济型频谱分析无论何时何地都能执行出色的微波测量，体现是德科技仪器的卓越品质射频型号让您轻松应对挑战：所有工作模式都能够灵活满足新手和专家的不同需求分析仪具有坚固耐候和密封性好的设计优点，适应在最艰苦的工作条件下运作自动完成基本频谱分析的日常任务，可以节省时间并确保获得一致的结果,坚固耐用的设计达到了MIL-PRF28800F2类标准提供清晰的屏幕显示和背光键，让您在各种光照条件下更容易地查看数据配置宽间距键盘，即使戴着手套也能轻松自如地操作使用可选的内置GPS接收机和天线，可以更迅速地获得地理位置数据电池使用时间长达4小时，并可在现场更换，确保您能够长时间操作仪器能够完全覆盖用户数据和禁用/启用LAN端口或USB端口，提升操作安全性,52,音频分析仪,提供更高的测量精度和业界最低的本底噪声，更轻松地完成要求最苛刻的音频器件测量提供低至-110