航天器姿态动力学与控制文档幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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(ETS VII),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,2002,2.卫星姿态动力学与控制,屠善澄主编.宇航出版社2001,3.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,1998,4.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,2003,5.,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ETS VII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ETS VIII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”,Lunar Prospector”,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,Dynacon MicroWheel 1000,单框架控制力矩陀螺,Astrium CMG 15-45s,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,单轮可靠性,安装构型,冗余度,三正交无备份,0,0.729,0.7706,0.8574,三正交各加备份,1,0.9703,0.9794,0.9925,三正交加一斜装,1,0.9477,0.9629,0.9860,四个斜装,1,0.9477,0.9629,0.9860,五个斜装,2,0.99144,0.9950,0.9988,六个斜装,3,0.99873,0.9994,0.9999,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,姿控系,统类型,名称,指向精度,姿态机动,能力,寿命,被动,自旋稳定,110度,无,7-10年,重力梯度稳定,110度,无,10年,半被动,重力梯度+恒值飞轮,0.55度,无,7-10年,重力梯度+半被动阻尼器,15度,无,7年,半主动,半主动自旋稳定,0.11度,有一定能力,7-10年,半主动双自旋稳定,0.11度,有一定能力,5-10年,主动,纯三轴喷气姿态稳定,0.11度,任意,130天,零动量轮控系统,0.011度,任意,27年,偏置动量轮控系统,0.11度,有一定能力,515年,混合系统,分级控制/多自由控制,0.011度,-,-,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理为基础，用模型代替实物系统进行实验。,航天器控制系统仿真系统分类：,(1)全数字仿真,(2)半物理仿真,(3)全物理仿真,234,12.2 航天器控制系统仿真技术,航天器姿态控制全数字仿真系统,235,12.2 航天器控制系统仿真技术,卫星半物理仿真系统,236,12.2 航天器控制系统仿真技术,237,12.2 航天器控制系统仿真技术,三轴气浮台全物理仿真系统,238,12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现,航天器姿态控制系统设计的目的：,在考虑飞行器运行环境和寿命及可靠性要求的基础上，根据控制系统部件及相关技术的发展水平，选择适当的控制系统构型，在整星的制约条件范围内，以最经济而可靠的手段满足飞行任务对飞行器姿态控制系统的功能和性能要求。,姿态控制系统设计的三个阶段：,(1),概念研究阶段,(2)方案设计阶段,(3)技术设计阶段,239,1.概念研究阶段的任务,1）进行飞行任务分析，明确姿态控制系统功能和性能；,2）选择姿态控制类型；,3）确定姿态控制系统的基本构型；,4）敏感器和执行机构的配置。,5）确定飞行程序和控制模式,2.方案设计阶段的任务,1）选择合适的姿态控制系统部件（姿态敏感器、控制器,和执行机构）并确定其功能和性能指标；,2）建立和验证姿态控制系统的数学模型；,3）确定姿态确定算法并进行控制算法或控制律的设计，,对系统模型进行稳定性分析和数学仿真。,12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现,240,3.技术设计阶段的任务,技术设计是在方案设计的基础上根据飞行器结构、能源、测控、热控和运载发射等技术约束条件以及飞行器总体对姿态控制系统的可靠性和安全性要求，对姿态控制系统进行技术实现的详细设计和试验。,技术设计内容：,1)明确姿态控制系统的配置构型及各部件的技术指标；,2）机、电、热接口设计,3）遥测、遥控、程控数据注入技术要求设计,4）电磁兼容性设计；,5）可靠性和安全性设计；,12.3 航天器姿态控制系统的设计与实现,241,12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例,242,12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例,中巴资源一号卫星控制要求,243,12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例,244,12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例,消初偏控制回路,245,12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例,地球捕获控制回路框图,246,12.4 航天器姿态控制系统的方案设计范例,轮控系统框图,247,