航天器姿态动力学与控制(哈尔滨工业大学) ——李立涛

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
Cz




C S
SC SC S
C S SSC CC
S S SCC
CS
S

CC



tan
1

C21 C22

sin1 C23



tan
1

C13 C33

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
x

Iy Iz Ix
yz

Mx Ix
T
(Ix

I
2 x
x / Iz )x2 (I y

I
2 y
/ Iz )y2
y

Iz Ix Iy
xz

My Iy
T
(Ix

I
2 x
y / Iz )x2 (I y
Cba Cz Cx Cz SC CC S

S S
CS SCC SS CCC
S C
SS
C
S

C



tg
1

C31 C32

cos1 C33


tg 1

I
2 y
/ Iz )y2
x

Ix Iy Iz
x y

Mz Iz
T
Izz[(Ix Iz
I
2 2
xx

I
2 2
yy

I
2 x
)x2

(I y I z

I
2 y
)y2
]
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
zb z
D Ob O R
cos cos



ey ex
sin sin


cos ez2 1 cos
姿态参数 – 欧拉轴/角
e
v

u' b
a
u


欧拉轴/角坐标变换示意图
姿态参数 – 欧拉轴/角
zb
za
eHale Waihona Puke zyx
xa xb
yb ya
姿态参数 – 欧拉参数(姿态四元数)
zb
za

za
za

xb xa
O

yb
O
ya
xa
O
ya

ya
yb
xa
ya
xb
基元旋转矩阵
姿态参数-欧拉角
Zb Za
Z2
Z1
Yb


O
Xb

Y2
Y1
Ya
Xa
X1 X2
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
CC SC S
ey 1 cos
1 cos ez sin
exez 1 cos ey sin
exey 1 cos ez sin cos ey2 1 cos
eyez 1 cos ex sin
ex ez ey ez
1 1
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
(a) Ix Iz
(b) Ix Iz
第5章 重力梯度稳定航天器姿态动力学
Kz

Iy Ix Iz
Iy Ix Iz
1 Kz 3
Kx

Iy Iz Ix
Ix Iz Iy
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

C13 C23

姿态参数 - 欧拉角
Z2
Za Z1
Z1
Zb

O

Xa
X1 X2
Xb
Y2 Yb
Y1
Ya
zxy旋转顺序
姿态参数 - 欧拉角
2. 方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系
CC SS S
Cba

Cy
Cx
y
yb
xb x
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-III 通信卫星
InterSat-IV 通信卫星
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
zS zR, zP
OP
xP
yP
xR
OR
xS
yR
yS 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
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 Dynacon MicroWheel 1000
单框架控制力矩陀螺 Astrium CMG 15-45s
2q1q3 q2q0 2q2q3 q1q0

q02 q12 q22 q32
1 q0 2 1 C11 C22 C33
q1

1 4q0
C23
C32

q2

1 4q0
C31

C13

q3

1 4q0
C12
C21
q1


1 2
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
SC

CC


tan
1

C12 C11

sin1 C13


tan 1

C23 C33

姿态参数 – 欧拉轴/角
Cba cos E3 1 cos e eT sin e

ex
cos ex2
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
kb

s
O

jb
ib
坐标系绕单参考矢量的转动
第7章 航天器姿态确定基础
w w*
3 e
1

u* u
2
v v* 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
航天器常用坐标系
黄道、赤道、春分点
航天器常用坐标系
zi
春分点方向
xi
r
Oe


飞行器
yi
赤道面
地心赤道惯性坐标系
航天器常用坐标系
ze
Greenwich子午面
r 航天器
Oe
xe

地心赤道旋转坐标系
ye
赤道面
航天器常用坐标系
xb
zo
ω0
xo
zb
地球
yb yo
轨道坐标系和星体坐标系的示意图
姿态参数-欧拉角
b
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
b
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
z
自旋航天器在惯性空间的运动
y
x
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
刚体-挠性体-液体的混合系统
第2章 航天器姿态动力学基本方程
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
B0 x0
z xn
zn Bn
yn On
z0
rn
y
x
O
r0
O0
y0
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)
探险者一号卫星
单自旋准刚体模型
实践一号甲
第2章 航天器姿态动力学基本方程
zb zR , zP
OP
xP
yP
xR
OR
xb
yR
yb
双自旋陀螺体模型
东方红二号
双自旋准刚体模型
第2章 航天器姿态动力学基本方程
美国QuickBird卫星
多刚体模型
第2章 航天器姿态动力学基本方程
风云一号
刚体-挠性体混合系统
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”Lunar Prospector”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
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
航天器
无人航天器
人
造
空
地
间
球
探
卫
测
星
器
载人航天器
空 间 站
载 人 飞 船
航 天 飞 机
技
科
术
应
学
试
用
卫
验
卫
星
卫
星
星
行
星
月
和
球
行
探
星
测
际
器
探
测
器
卫 星 式 载 人 飞 船
登 月 载 人 飞 船
单自旋稳定航天器
风云二号卫星
双自旋稳定航天器
平台惯导的稳定平台
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
CC
Czyx , , Cx Cy Cz CS SSC
SS CSC
C S CC SS S SS CS S
S
1 C11 C22 C33
q2

1 4q1
C12
C21
q3

1 4q1
C13

C31

q0

1 4q1
C23

C32

1 q2 2 1 C11 C22 C33
q3

1 4q2
C23

C32

q0

1 4q2
C31
C13

q1

1 4q2
C12

C21
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
第1章 航天器姿态运动学
欧拉参数与方向余弦矩阵的关系
Cba q02 qTq E3 2qqT 2q0q


q02 2
q12 q22 q32 q1q2 q3q0
2q1q3 q2q0
2q1q2 q3q0
q02 q12 q22 q32
2q2q3 q1q0

q3


1 2
1 C11 C22 C33
q0

1 4q3
C12
C21
q1

1 4q3
C13

C31
q2

1 4q3
C23

C32

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
尖兵一号甲
美国XSS-10卫星
刚体模型
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
美国TDRS卫星
刚体-挠性体-液体的混合系统
第2章 航天器姿态动力学基本方程
日本Jers-2卫星
刚体-挠性体-液体的混合系统
第2章 航天器姿态动力学基本方程
日本ETS VII卫星
多刚体-挠性体-液体的混合系统
第2章 航天器姿态动力学基本方程
日本ETS VIII卫星
对地定向工作
对地观测卫星的姿态机动
对日定向模式
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 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
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
太阳光

s

τ
dA
nA
第3章 空间环境力矩
dA
v

VR
C
nA
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
ze xm ym
O
Oe
zm

xe
当地磁测坐标系的示意图
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
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
自旋体的本体锥
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
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)
绪论
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
日本技术实验卫星7号(ETS VII)