卫星姿态动力学与控制.ppt

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 主要内容 02 1 航天器姿态确定基础 解决坐标转换中三个问题 怎么测测什么用什么测 基本原理方法空间基准场敏感器 1 1基本原理和方法 1 3 2 参考矢量法 建立参考矢量 统计估计法 数学统计优化 角动量矢量为基准 惯性测量法 星体坐标在参考坐标中的姿态参数 参考矢量法 坐标系绕单参考矢量的转动 1 单参考矢量的姿态确定 2 双参考不共线矢量的姿态确定 3 多参考矢量确定 需添加绕S旋转的自由度 S 单轴与三轴 惯性测量姿态确定 优点 已知初始姿态 不受外部影响缺点 1 须知道初始姿态2 陀螺漂移锁引起的姿态确定误差3 参考系转换 1 2空间基准场 参考矢量法 敏感器的输出是某空间基准场在敏感方向上的一个数值反应 而当敏感器定向不同时 测得的数值也应有所不同 这种空间基准场在物理上可以是光学的 电磁的 力学等 4种空间基准场 基准场 地球热辐射场1 以太阳辐射的反射和地球大气固有辐射叠加而成2 14 16 m二氧化碳吸收带 地球辐射敏感器 地磁场1 被描述成一个稳定磁场附加随机变化部分 2 磁场是与高度及维度相关的梯度函数 太阳 恒星方向场1 太阳光强大易于检测 但由阴影区 恒星精确光度弱 容易受干扰2 恒星方向场有光行差 但视差较小 常忽略 无线电波场1 人造空间交变电流磁场A 并设定远处一点B 测量AB矢量方向作为参考方向 1 3姿态敏感器 2 自旋 双自旋卫星的姿态确立 单轴姿态确定 1 地球弧长测量 2 太阳角测量 姿态信息测量 3 转动角测量 se 4 陆标方向测量 2 2姿态确定的精度 定姿的误差取决于三个因数 1 测量值的误差大小2 误差灵敏度系数3 两条姿态轨迹带的相关角 2 3章动测量 1 加速度计 2 光学敏感器 3 三轴稳定卫星的姿态确定 三轴姿态确定 区别于自旋 确定卫星本体坐标系相对于空间参考坐标系的姿态 输出为卫星的三轴姿态参数 自旋主要为确定自旋轴 单轴稳定 红外地球敏感器和太阳敏感器星敏感器全球定位陀螺和红外敏感器 方向矢量敏感器 惯性与方向方向矢量敏感器互补 3 1地球 太阳敏感器 采用双参考矢量 地心方向矢量E和太阳方向矢量S 法确定三轴姿态 采用欧拉角描述 有三个角度 分别定义成滚动角 俯仰角 偏航角 根据地球敏感器测出滚动角及俯仰角 根据太阳敏感及卫星轨道参数计算偏航角 误差来源 敏感器测量误差敏感器安装误差测量基准误差轨道参数误差 3 2轨道罗盘 红外和陀螺敏感器构成的卫星三轴姿态系统成为轨道罗盘 红外敏感器给出卫星相对于轨道坐标系的滚动角和俯仰角 速率陀螺给出惯性空间的姿态运动角速度 利用耦合关系根据角速度推算偏航角 相对于其他方向矢量敏感器测量误差陀螺仪噪声和漂移增益系数K 4 统计估计理论 现实1 姿态确定误差源多2 误差随机分布3 姿态确定性方法精度较低4 测量数据大 且互相组合 难以确定 理想通过大量数据求得最优卫星姿态参数一种数学处理方法统计估计 4 1最小二乘法 最小二乘法 又称最小平方法 通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配最小二乘法的原则是以 残差平方和最小 确定直线位置 为了使J X 最小 那就求个极值吧 偏导为o的情况下X为最优解 X为状态矢量矩阵 4 2卡尔曼滤波法 1 卡尔曼滤波是迭代的过程2 运用的是协方差求加权系数 最优解与观测值 3 这里的加权系数被称为卡尔曼增益3 随时可以停止4 系统模型的不确定性使得状态估计值偏离 5 自旋 双自旋的姿态控制 星 地大回路控制 自旋 双自旋卫星稳定性1 短粗 被动章动阻尼2 细长自旋 需要主动章动阻尼3 细长双自旋 消旋平台足够能耗 或者主动章动阻尼 5 1 姿态控制任务和方法 卫星的姿态机动 自旋转速控制 章动阻尼及控制平旋运动及恢复 磁力矩控制喷气控制 原因 细长型由于能量耗散区域能量最小状态 方法 常值力矩 脉冲力矩 消旋平台 5 2消旋控制系统 消旋控制系统 使卫星发送的波束不随卫星一起旋转 既天线波束在惯性空间保持不动 电子消旋相控阵天线 复杂 早期用过 机械消旋与自旋轴做大小相等方向相反转动 6 三轴稳定姿态控制 1三轴稳定航天器的喷气控制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3航天器姿态捕获与姿态机动控制 6 1喷气式三轴稳定 推进系统 推进系统种类 电磁阀 推力器电磁阀结构原理图 6 2角动量交换装置三轴稳定 较高精度的三轴稳定卫星 在轨道正常工作时通常采用角动量交换装置 但轮控系统适用于姿态角速度衰减较小时 否则轮子出现饱和 作用原理为 摩擦力矩 固定安装动量轮 控制力矩动量轮 框架动量轮 改变转速大小 改变转子轴的方向 转速大小和转子轴向均可改变 动量轮分类 整星零动量轮控系统的构型方案 图一 三正交反作用轮方案 图二 由偏置动量轮组成的整星零动量方案 适用于姿态稳定度要求较高 如遥感卫星 保持系统动量为零1 轮子转速过零时摩擦力矩值突变较小 三个轴上安装反作用轮 如图一 2 各轴安装偏置动量轮 在合成动量反方向设置对称动量轮 如图二 偏置动量轮控系统 螺旋机构操纵的偏置动向轮 在某一方向 一般在轨道角速度方向 有非零的角动量值 该值比姿态角速度产生的角动量值大一个数量级 例如下图 系统指向精度较高的地球轨道静止卫星 6 3姿态捕获与姿态机动 姿态捕获 从未知初始姿态达到飞行任务所期望姿态的过程 姿态机动 一种姿态过渡到另一种要求姿态的控制过程 以太阳 地球捕获举例1 陀螺的速率信息降低姿态角速度2 帆板归零锁定3 太阳敏感器实现太阳捕获4 地球捕获完成三轴稳定 7 姿态控制系统测试 目的 发现系统缺陷 验证系统设计和检验产品性能 内容 姿态测量 姿态控制和对外接口三部分 7 1测试系统组成 姿控系统实验设备 仿真模拟器 举例 卫星半物理仿真系统 7 3系统测试大纲及流程 系统测试流程 环境试验项目 工作映射 03 01 02 CONTENT Panasonic 意法半导体 荷兰恩智浦 Panasonic 松下电器株式会社集团创建于1918年 创始人是被誉为 经营之神 的松下幸之助先生 松下电器半导体有限公司 是全球首屈一指的半导体供应商 并提供尖端半导体解决方案及软件 其产品包括 MEMS陀螺仪传感器EWTS8RK 民用陀螺仪EWTS9Pxxxx 2轴一体SMD型 内置功放电路 应对高通滤波器 用于游戏机的动作传感器 Panasonic 陀螺仪传感器 采用气密SMD型封装 实现高可靠性内置自我诊断功能 适应系统的故障安全防护装置采用MEMS音叉型元件与裸芯片ASIC 实现小型陀螺仪传感器 Panasonic 陀螺仪传感器的原理 Panasonic 动作原理 音叉型 Panasonic 陀螺仪传感器的使用方法 Panasonic 陀螺仪传感器的使用方法 Panasonic 陀螺仪传感器的使用方法 荷兰恩智浦 荷兰恩智浦公司 前身为飞利浦半导体 2005年飞利浦集团分拆后独立为荷兰恩智浦公司 目前也是全球排名前十的半导体企业 荷兰恩智浦 FXAS21002CQ三轴陀螺仪 工作特性 荷兰恩智浦 FXOS8700CQ数字运动传感器 3D加速度传感器 2g 4g 8g 3D磁力计 6轴传感器概述FXOS8700CQ6轴传感器在小型3x3x1 2mmQFN塑料封装中结合了业界领先的加速度传