航天器姿态动力学课件1.

1、航天器姿态动力学与控制讲授教师：荣思远学科专业：飞行器设计绪论绪论航天技术是一门研究和实现如何把航天器送人空间，并在 那里进行活动的工程技术。它主要包括航天器、运载工具 和地面测控三大部分。为了便于了解，我们首先对航天器 进行分类.同一个航天器可兼有数种任务，故机械地、绝对地分类， 是不可能的。同一类航天器，往往包括了几种系列，而每 一系列又可分成数种不同的卫星系统或型号。绪论单自旋稳定航天器风云二号卫星双自旋稳定航天器对3电定向 卫星（化象卫星.资源.侦查卫星等）对天体定向的航天器嫦娥一号卫星（三体定向）绪论XSS-10H.对其他卫星跟踪利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

2、绪论ETS-VIIKHatNKcNa nsr mex/t* w11本技术实齡卫星7号(ETS VII)绪论对地对日定向 机动Y太削尤力向对时地定向 仑态机动对日定向模式对地观测卫星的姿态机动人造地球卫星的功能分类继站观测站侦察卫里.气象工里地球资源卫星n海洋卫星.预警卫星核爆炸探测卫星天文规测卫星通信卫星广播卫星跟踪和数据中继卫星轨道武器导航卫星测地卫星有效载荷保障系统合成孔径雷达可见光或CCD相机粒子探测器天文望远镜红外探测器无线电侦察接收机红外扫描辐射仪电视摄像机结构系统热控制系统电源系统 GNC系统测控系统回收系统环境控制系统交会与对接系统基准站拦截卫星轨道轰炸系统绪论航天器的基本系统组

3、成绪论航天器控制的基本概念一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、 姿态和姿态运动来描述。其中位置和速度描述航天器 的质心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态 运动描述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运 动学的观点来说，一个航天器的运动具有6个自由度, 其中3个位置自由度表示航天器的轨道运动，另外3个 绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运动.绪论航天器的控制可分两大类：轨道控制；姿态控制 轨道控制对航天器的质心施以外力，以有目的地改变其运动轨迹的技术。 轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研丸如何确定航天器的位置和速度，有时 也称为空间导航，简称导航；轨道控制

4、是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标， 对质心施以控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为制导按应用方式可分为四类：轨道机动：指使航天器从一个自由飞行段轨道转移到另一 个自由飞行段轨道的控制.例如，地球静止卫星发射过程中为 进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就须进行一次轨道 机动.轨道保持：指克服摄动影响，使航天器轨道的某些参数保 持不变的控制.轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时间以相同 速度达到空间同一位置而实施的控制过程。再人返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返回进入大 气层的控制.绪论:姿态控制对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在空间的定向 的技术。姿态控

5、制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法.这 个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣的某个基准，例如地球姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向（可称为参考方向 ）上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态机动姿态稳定是指使姿 态保持在指定方向，而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另 一个姿态的再定向过程.绪论姿态控制通常包括以下几个具体概念：定向：指航天器的本体或附件（如太阳能电池阵.观测设备、 天线等）以单轴或三轴按一定精度保持在给定的参考方向上.此 参考方向可以是惯性的，如天文观测；也可以是转动的，如对地 观测.粗对准：指初步对准，通常须用较大的控制力矩

6、以缩短机动的 时间，但不要求很高的定向精度.精对准：指粗对准或再定向后由于精度不够而进行的修正机动.以保证定向的精度要求.精对准一般用较小的控制力矩.绪论再定向：指航天器本体从对一个参考方向的定向改变到对 另一个新参考方向的定向.再定向过程是通过连续的姿态机动 控制来实现的。捕获：又称为初始对准，是指航天器由未知不确定姿态向 己知定向姿态的机动控制过程.如航天器人轨时，星箭分离， 航天器从旋转翻滚等不确定姿态进入对地对日定向姿态；又如 航天器运行过程中因故障失去姿态后的重新定姿等。跟踪：指航天器本体或附件保持对活动目标的定向.搜索：指航天器对活动目标的捕获.绪论姿态稳定是保持已有姿态的控制，航

7、天器姿态稳定 方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类.自旋稳定：卫星等航天器绕其一轴（自旋轴）旋转， 依靠旋转动童矩保持自旋轴在惯性空间的指向.自旋稳 定常辅以主动姿态控制，来修正自旋轴指向误差。三轴稳定：依靠主动姿态控制或利用环境力矩，保 持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。绪论 姿态控制与轨道控制的关系航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控 制与姿态控制密切相关.为实现轨道控制，航天器姿态必须 符合要求。也就是说，当需要对航天器进行轨道控制时，同 时也要求进行姿态控制在某些具体情况或某些飞行过程中 ,可以把姿态控制和轨道控制分开来考虎。某些应用任务对 航天器的轨道没有严

8、格要求，而对航天器的姿态却有要求。绪论航天器控制按控制力和力矩的来源可分两大类:被动控制：其控制力或力矩由空间环境和航天器动力 学特性提供，不需要消耗星上能源。主动控制：包括测量航天器的姿态和轨道，处理测量 数据，按照一定的控制规律产生控制指令，并执行指令产 生对航天器的控制力或力矩。主动控制需要消耗电能或工 质等星上能源，由星载或地面设备组成闭环系统来实现。绪论主动控制系统的组成航天器主动控制系统，无论是姿态控制系统还是 轨道控制系统，都有两种组成方式。空尺E机设想图绪论星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星绪论绪论仪器实现的控制，其系统结构见下图绪论绪论绪论地面控制：或称星一地大回路控

9、制，指依赖于地面干预，由星载仪器和地面设备联合实现的控制，其结构见下图。绪论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1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章节安排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参考书目1. 空间0行器姿态控制系统杨大明编著.哈尔滨工业大学出版社,200

10、22. 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E行动力学刘瞰、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第4章航天器姿态运动学航天器常用坐标系每种坐标系都有其自己的特点,此也就只适用于一定的范围，所以根据具体情况选择坐标系是必要的。一般来说 ,讨论航天器姿态运动常用的坐标系如下：惯性坐标系：所有的运动都要参照的基本坐标系是惯性坐标系.质心平动坐标系：这是一个与惯性坐标系密切相关的坐标系原点 位于航天器质心，坐标轴分别与某一惯性坐标系的坐

11、标轴保持平行.轨道坐标系：这是一个以航天器质心为原点的正交坐标系.本体坐标系：又称为星体坐标系。在此坐标系中，原点在航天器质 心，三个轴固定在航天器本体上。若三个坐标轴为航天器的惯量主轴，则 该坐标系称为主轴坐标系.航天器常用坐标系黄道、赤道、春分点航天器常用坐标系航天器常用坐标系Greenwich f 午而道面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坐标系旋转0sin0 cosO,g(&) y若要将参专系O-X YZ中的轨道农达 转换到固定参考系 XYZ电需执行 以下操作：丁科 *XWJ 叱rmw.：2.以OX为轴.反向旋转1角

12、度该操作数学表达式是：/ XyJ)1000cos0一 sinO坐标系旋转X)|COS0-sin0、2V =sincos0yZ )001将参考系O-XYZ,转换到(1以OST力轴，反向旋怯“，4”峻 L以OX为紬反向險4如會峻3.以O乃为轴，反向旋转G角度 该操作数学表达式足：= R“)y0 = G另外，绕Y轴旋转&角的操作足:= R) y姿态参数欧拉角方向余弦矩阵和ZXZ顺序欧拉角的关系C(pSy/+ S(pC6Ci/_ S(pSt/ + CtfCOCy/一 SOCy/StpSOC(pSOc&Cg屮- StpCOSi/G =匚9) (&)(%)= -SQw-CqCe/S0Sp = cos:(C

13、jj)倍)姿态参数欧拉角zxy旋转顺序姿态参数欧拉角2.方向余弦矩阵和zxy顺用的欧拉角的关系C6C屮 gSOSy/S0C 屮 + SpC8Sy/COSt/ SpSOCy/C亦pSBSyz- SpC 处 -5S歹s卩C(pC0cesw-seCgyz+SeSOW-S(pSy/ + CpSOSy/ C(fC0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C护(0& W )9 (&)匚(w) = -5S0+W述炉 S(pSi/ + CqSOCi/。二 sin (_C 订)姿态参数-欧拉轴/角缶=cosEj +(l-cos)eeT -sinPewcos + e；(1 -cosP) exev(1 -cos)+ e,sin e