航天器姿态动力学与控制——李立涛ppt课件

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,1,绪论,2,绪论,3,单自旋稳定航天器,4,双自旋稳定航天器,风云二号卫星,5,QuickBird卫星,对地定向卫星(气象卫星、资源、侦查卫星等),6,哈勃太空望远镜,对天体定向的航天器,7,嫦娥一号卫星(三体定向),8,对其他卫星跟踪和定向的航天器,绪论,9,天线对其他卫星跟踪和定向的航天器,绪论,10,日本技术实验卫星7号(ETSVII),11,对地观测卫星的姿态机动,12,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,13,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,14,参考书目,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,15,第1章航天器姿态运动学,16,航天器常用坐标系,黄道、赤道、春分点,17,航天器常用坐标系,地心赤道惯性坐标系,18,航天器常用坐标系,地心赤道旋转坐标系,19,航天器常用坐标系,轨道坐标系和星体坐标系的示意图,20,姿态参数-欧拉角,基元旋转矩阵,21,姿态参数-欧拉角,zxz旋转顺序,22,姿态参数-欧拉角,方向余弦矩阵和zxz顺序欧拉角的关系,23,姿态参数-欧拉角,zxy旋转顺序,24,2.方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系,姿态参数-欧拉角,25,3.方向余弦矩阵和zyx顺序的欧拉角的关系,姿态参数-欧拉角,26,姿态参数欧拉轴/角,27,姿态参数欧拉轴/角,欧拉轴/角坐标变换示意图,28,姿态参数欧拉轴/角,29,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,30,第2章航天器姿态动力学基本方程,31,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,32,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,33,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,34,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,35,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,36,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,37,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,38,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,39,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,40,大型挠性体系统,第2章航天器姿态动力学基本方程,41,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,42,第2章航天器姿态动力学基本方程,43,第3章空间环境力矩,44,第3章空间环境力矩,美国子午导航卫星(重力梯度卫星),45,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),46,第3章空间环境力矩,反射类型,47,第3章空间环境力矩,48,第3章空间环境力矩,49,第3章空间环境力矩,大气密度分布图,50,第3章空间环境力矩,51,第3章空间环境力矩,当地磁测坐标系的示意图,52,第3章空间环境力矩,航天器环境力矩相对幅值,53,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,54,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,55,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,美国”LunarProspector”月球探测器,56,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,美国Clementine月球探测器,57,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,58,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,59,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,60,风云二号气象卫星,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,61,第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学,自旋体的本体锥,62,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,63,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,64,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,65,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),66,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,67,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,68,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,69,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,70,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,71,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,72,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,73,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,74,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,75,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,76,第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学,77,(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,78,第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学,79,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,80,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,81,第6章三轴姿态稳定航天器姿态动力学,82,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,83,11.2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,84,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,85,第7章航天器姿态确定基础,86,第7章航天器姿态确定基础,坐标系绕单参考矢量的转动,87,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,88,第7章航天器姿态确定基础,平台惯导的稳定平台,89,第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定,90,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,91,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,92,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,93,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,94,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,95,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,96,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,97,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,98,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,99,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,100,三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,101,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,102,第9章三轴稳定航天器的姿态确定,103,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,104,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,105,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,106,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,107,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,108,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,109,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,110,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,111,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,112,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,113,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,114,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,115,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,116,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,117,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,118,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,119,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,120,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,美国Clementine月球探测器,121,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,自旋体的本体锥,122,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,123,角动量进动示意图,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,124,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,125,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,126,第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制,127,第11章三轴稳定航天器的姿态控制,128,11.1三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,129,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,130,11.1三轴稳定航天器的喷气控制,推进系统种类,131,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,132,喷气执行机构的动态特性,133,11.1三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,134,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,135,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,136,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,137,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,138,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,139,11.1三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,140,11.1三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,141,11.1三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,142,11.1三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),143,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,144,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,145,11.1三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,146,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,147,11.1三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),148,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,149,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,150,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,151,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,152,数字式相平面控制律,11.1三轴稳定航天器的喷气控制,153,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,154,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,155,11.1三轴稳定航天器的喷气控制,连续控制系统,离散控制系统,156,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,157,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,158,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,159,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,160,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,161,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,162,零动量轮控系统框图,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,163,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,164,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,165,2.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,166,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,167,1.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：,168,11.2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,169,11.2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。,170,2.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,171,3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,172,1.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,173,四反作用轮斜装方案,11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统,174,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,175,(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,176,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,177,11.3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,178,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,179,11.3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：,180,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,181,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,182,11.3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,183,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,184,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,185,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,忽略章动运动,186,11.3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,187,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,188,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,189,11.3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,190,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,191,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,192,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,193,11.3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,194,11.3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,195,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,开环系统复域方程,196,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,197,11.3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,198,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,199,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,200,11.3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,201,11.3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：,202,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,闭环系统复域方程式,203,11.3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：,204,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,205,11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制,当,206,11.3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,207,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,208,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,209,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,210,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,211,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,212,11.4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,213,星体单轴转速控制框图,11.4姿态捕获和姿态机动控制,214,0-1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,215,216,11.4姿态捕获和姿态机动控制,217,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,218,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,219,消初偏控制回路框图,11.4姿态捕获和姿态机动控制,220,地球捕获回路控制框图,11.4姿态捕获和姿态机动控制,221,姿态稳定控制回路,11.4姿态捕获和姿态机动控制,222,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,223,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,224,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,225,12.1航天器姿态控制系统,自旋稳定飞行器原理,226,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,227,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,228,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,229,纯三轴喷气姿态控制系统,12.1航天器姿态控制系统,230,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,231,一种混合姿态控制系统,12.1航天器姿态控制系统,232,12.1航天器姿态控制系统,不同类型姿态控制系统的比较,233,12.2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