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,.,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,.,天线对其他卫星跟踪和定向的航天器,绪论,.,日本技术实验卫星7号(ETSVII),.,对地观测卫星的姿态机动,.,章节安排,第一部分航天器姿态动力学绪论第1章航天器姿态运动学第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第7章航天器姿态确定基础第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,.,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,20022.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社,20035.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1章航天器姿态运动学,.,航天器常用坐标系,黄道、赤道、春分点,.,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,地心赤道旋转坐标系,.,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-欧拉角,基元旋转矩阵,.,姿态参数-欧拉角,zxz旋转顺序,.,姿态参数-欧拉角,方向余弦矩阵和zxz顺序欧拉角的关系,.,姿态参数-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-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-欧拉角,.,姿态参数欧拉轴/角,.,姿态参数欧拉轴/角,欧拉轴/角坐标变换示意图,.,姿态参数欧拉轴/角,.,姿态参数欧拉参数(姿态四元数),欧拉参数与方向余弦矩阵的关系,.,第2章航天器姿态动力学基本方程,.,第2章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2章航天器姿态动力学基本方程,实践一号甲,.,东方红二号,第2章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2章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2章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2章航天器姿态动力学基本方程,.,日本Jers-2卫星,第2章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ETSVII卫星,第2章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ETSVIII卫星,第2章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2章航天器姿态动力学基本方程,.,大型挠性空间结构(太阳帆),第2章航天器姿态动力学基本方程,.,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3章空间环境力矩,美国子午导航卫星(重力梯度卫星),.,第3章空间环境力矩,中巴资源一号卫星(太阳光压力矩较大的例子),.,第3章空间环境力矩,反射类型,.,第3章空间环境力矩,.,第3章空间环境力矩,.,第3章空间环境力矩,大气密度分布图,.,第3章空间环境力矩,.,第3章空间环境力矩,当地磁测坐标系的示意图,.,第3章空间环境力矩,航天器环境力矩相对幅值,.,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,.,第4章自旋、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,.,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,美国”LunarProspector”月球探测器,.,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,美国Clementine月球探测器,.,第4章自旋、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4章自旋、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4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,.,风云二号气象卫星,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,.,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,自旋体的本体锥,.,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,扁粗体航天器的空间锥和本体锥,.,第4章自旋、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4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,自旋航天器在惯性空间的运动,.,第4章自旋、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4章自旋、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4章自旋、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4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,推力倾斜的自旋航天器,.,第4章自旋、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4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,美国探险者一号卫星,.,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,有能量耗损时的本体极迹,.,第4章自旋、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4章自旋、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4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,InterSat-IV通信卫星,InterSat-III通信卫星,.,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,轴对称双自旋航天器,.,第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学,.,(a),(b),第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学,平面运动的相轨迹,.,第5章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5章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5章重力梯度稳定航天器姿态动力学,.,第6章三轴姿态稳定航天器姿态动力学,.,第6章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,惯性轮DynaconMicroWheel1000,单框架控制力矩陀螺AstriumCMG15-45s,.,第6章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7章航天器姿态确定基础,.,第7章航天器姿态确定基础,坐标系绕单参考矢量的转动,.,第7章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7章航天器姿态确定基础,平台惯导的稳定平台,.,第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定,.,自旋轴的赤经、赤纬,第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定,.,第8章自旋、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8章自旋、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型狭缝式太阳敏感器的测量几何,第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定,.,第8章自旋、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8章自旋、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8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定,.,第8章自旋、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8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定,.,航天器中心天球示意图,第8章自旋、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8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定,.,第8章自旋、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9章三轴稳定航天器的姿态确定,.,第9章三轴稳定航天器的姿态确定,余弦检测器的工作原理,.,第9章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9章三轴稳定航天器的姿态确定,编码式太阳敏感器的测量原理,.,第9章三轴稳定航天器的姿态确定,CCD太阳敏感器的测量原理,.,第9章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9章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9章三轴稳定航天器的姿态确定,单圆锥扫描式地球敏感器,.,第9章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9章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9章三轴稳定航天器的姿态确定,圆锥扫描红外敏感器的两种典型布局,.,第9章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9章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9章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9章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10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,.,第10章自旋、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、双自旋航天器自旋轴姿态的星-地大回路控制,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,.,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,美国Clementine月球探测器,.,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,自旋体的本体锥,.,喷气力矩作用下姿态运动示意图,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,.,角动量进动示意图,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,.,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,.,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,.,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,.,11.1三轴稳定航天器的喷气控制11.2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11.3航天器姿态捕获与姿态机动控制,第11章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,.,11.1三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,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,.,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,.,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,.,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,.,理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,.,11.1三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,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,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,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,.,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,.,11.1三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,.,11.1三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,.,考虑推力器时延的极限环,11.1三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,11.1三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,.,数字式相平面控制律,11.1三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,.,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,.,11.1三轴稳定航天器的喷气控制,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,.,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,.,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,.,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,.,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,.,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,.,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,11.2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,.,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,线性化后的姿态动力学模型为：,11.2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,.,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,.,1.俯仰通道设计,当时，闭环时域方程为,11.2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,（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,(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：PD控制+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,.,3正交+1斜装构型方案,11.2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,.,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,.,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,.,(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,.,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,.,11.3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,.,11.3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,.,11.3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,.,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,.,11.3偏置动量轮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,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,.,11.3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,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,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,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,.,11.3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,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,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,.,11.3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,.,11.3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,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,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,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,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,.,11.3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,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,.,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,.,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,.,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,.,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,.,11.4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,.,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,.,.,11.4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,.,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,.,消初偏控制回路框图,11.4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,.,姿态稳定控制回路,11.4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,.,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,.,第12章航天器姿态控制系统设计概述,12.1航天器姿态控制系统12.2航天器控制系统仿真技术12.3航天器姿态控制系统设计和实现12.4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,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,.,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,.,纯三轴喷气姿态控制系统,12.1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,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,.,12.1航天器姿态控制系统,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,航天器特点：环境条件恶劣、不可维修性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