卫星姿态动力学与控制(1)

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重力梯度加恒值动量轮
风云一号
刚体-挠性体混合系统
大型挠性空间结构(太阳帆)
一般选用混合坐标，1、钢性主体选用欧拉角，2、 扰件选用模态振动方程 简单 简化成均匀量梁，用常微分方程和片微 分方程求解 有限元分析法进行模态分析：振型、频率 复杂
和偶尔系数，根据附件钢体连接处，建立整 星有限自由度。
基础频谱分析仪（BSA） 执行简单有效的操作 •在高达 7 GHz 的频率上提供可靠的性能， 可以提高生产效率、避免不必要的开支 •经过优化的测量速度和增值特性可以提高 您的测试效率 •仪器的可用性得到改善，可以缩短您的学 习时间和提高测试效率 •覆盖了频谱分析、信号监测和传输/反射测 量等多种功能，能够满足更广泛的、严苛的 射频测试需求
在射频或微波频率上选择精密型或经济型频谱分析 •无论何时何地都能执行出色的微波测量，体现是德科技仪器的卓越品质 •射频型号让您轻松应对挑战：所有工作模式都能够灵活满足新手和专家的不同 需求 •分析仪具有坚固耐候和密封性好的设计优点，适应在最艰苦的工作条件下运作 •自动完成基本频谱分析的日常任务，可以节省时间并确保获得一致的结果
大 型 挠 性 体 系 统
航天器环境力矩相对幅值
dA
v

VR
C
nA
大气密度分布图
卫星所受气动示意图
太阳光压造成，地球返照及大气红外辐射是次要的辐射源。
中巴资源一号卫星 (太阳光压力矩较大的例子)
反射类型 A、镜面反射，b、漫反射，c、部分漫反射
自旋：钢体
双自旋：陀 螺体
由于ω y和 ω z周期性变化，所以在本体坐标系Oyz平面内， ω 绕Ox轴以速率Ω 旋转，而幅值ω 恒定。由此可见，星体的瞬时 转速ω 绕自旋轴Ox 作圆锥运动。
质量消耗
扰性附件
把推进剂作为固体质点，设置偏置角动量， 推进剂的消耗对卫星具有反作用力和力矩
模态阶段：为了方便起见，在工程设计中，对动力 学方程进一步降阶，截区对系统影响较小的模态，保 留影响较大的模态坐标。 模态溢出：在实际情况中，任然会激发被截取的模 态坐标，被称为控制溢出。 测量与分析时，留有足够的增益裕量或相位裕量， 使得被截去的模态不会影响系统的稳定性和性能。
被动姿态控制
半被动和半主动
主动姿态控制
概念研究
姿态 捕获
姿态 确定
姿态 稳定
卫星变轨时 姿态稳定 姿态 机动
其他分系统 部件的控制 模型验证、分析
方案设计
姿态控制系统 建立系统 数学模型
技术设计
接口 电磁匹配
安全性、可靠性
姿态参数-欧拉角
zb za za za


O xb xa

ya
yb
O
O ya yb xa

ya

xa xb

ya
基元旋转矩阵
Zb Z2
Za Z1 Yb
Zb
Z2
Z a Z1
Z1



Y2 Y1



Y2 Yb




Ya
Y1

Xa

O
Ya Xb
Xa
O

X1 X 2
X1 X 2
Xb
zxz旋转顺序
zxy旋转顺序
e
v
e
zb
卫星姿态动力学与控制 （ 1）
汇报人：
2018年10月15日
1、卫星姿态动力学 2、卫星姿态控制系统
3、卫星姿态敏感器
4、卫星执行机构
姿态：指卫星相对于空间某参考坐标系的方位或指向
姿 态 稳 定 姿 态 控 制
自旋稳定，重力梯度稳 定，磁稳定，气动稳定， 辐射压稳定 例子（动量轮） A，质量排出 B，动量交换 C，磁控制 D，利用环境力矩
使用最广泛的特定应用软件，实现更深层 次的故障诊断或执行一键式测量 产品通过售后升级服务可以伴随技术的变化 演进，包括频率、带宽、实时、CPU 等 不论您使用哪一款仪器，从研发到生产都能 保持 100% 的代码兼容性，可确保在公司内 部实现一致性测量。
通过切实可用的性能更快获得分析结果 •全新多点触控用户界面让测量设置变得简单明了，并提供定制视图 •利用实时频谱分析功能查看、捕获并分析最罕见的信号，包括已知和未 知信号 •凭借 510 MHz 带宽和 >75 dBc 无杂散动态范围，查看以往难以观测 的信号 •使用本底噪声扩展（NFE）技术将测量噪声降低最多 10 dB，可以提高 低电平信号测量的精度
液体运动 横向晃动 纵向晃动 旋转晃动 内部旋涡 力学模型 等效力学模型
液体固有频率很低
液体压缩效应小 忽略粘性 忽略表面张力 液体做微幅度运动
1、仍能反应液体对航 天器的作用 2、全部为离散型坐标， 方程阶数尽可能的低 3、钢体姿态参数仍然 保留 4、简化后具有简单机 械系统的物理直观性
旋涡形成
是德科技公司是全球领先的电子测量公司，通过无线， 模块化和软件解决方案的创新改变当今的测量体验。 凭 借其惠普和安捷伦的传统，是德科技凭借世界一流的平台， 软件和一致的测量科学，为无线通信，航空航天，国防和 半导体市场提供解决方案。 该公司近12,600名员工为100 多个国家的客户提供服务。 是德科技专注于测量，帮助科学家，研究人员和工程 师以精确和自信的方式应对最棘手的挑战。 借助我们的 产品和服务，他们能够更好地实现可产生巨大差异的突破。 是德科技致力于为电子设计、测试、测量和优化提供突破 性的解决方案和可信赖的洞察力，帮助客户加速创新，创 造一个安全互联的世界。
重力梯度被动稳定就是航天器利用地球或其他天体的引 力场，在不依赖飞轮、推力器和伺服系统等主动控制部件的 情况下，获得对地球或其他天体姿态定向的一种稳定方式。
优点是长寿命，功耗需求低； 缺点则是制力矩小，需要天平动阻尼， 且指向精度低， 例如各轴精度在1°～10°左右。
(1)增大起稳定作用的恢复力矩和限制扰动力矩。 (2)捕获重力场。 (3)必须包含阻尼天平动。
是德科技示波器，拥有较多优点： 1、让产品更快上市，因为我们屡获 殊荣的示波器提供超快的更新速率、 超深的存储器，以及优质的电容触 摸屏和种类繁多的示波器软件选件。 2、生产高性能的产品，因为我们的 示波器具有出色的信号完整性和广 泛的示波器探头，能够为您带来值 得信赖的测量。 3、实现更低的总体拥有成本，因为 我们能够将多台仪器的功能整合到 一台主机中，并支持轻松升级。 4、是德科技精简系列 USB 示波器外 形紧凑，而功能毫不逊色。
za

a
b u
u'
z
yb
y x
xa xb
ya

欧拉轴/角坐标变换示意图
运动学方程：运动参数之间的相互关系。 动力学方程：运动和作用力之间的关系。
动力学基本定 理
拉个朗日方程
哈密尔顿
1、动量定理 2、动量矩定理
对于完整系统用广 义坐标表示的动力 方程。
哈密顿原理是以变 分为基础，设系统 的动能为T，势能 为V，非保守力的 虚元功为δw时， 则哈密顿原理可以 表示为
a、b、c、d、e代表 着五种情况 1、以恒定角速度绕 最大惯量轴转动ob1 2、c、c“为不稳定 平衡轴ob2 3、以恒定角速度绕 最小惯量轴转动ob3
一般刚体自由姿态运动的本体极迹
一个绝对刚体无论绕最大惯量轴或者绕最小惯量轴的旋转都是稳定 的，但是由于鞭状天线的弯曲提供了一种通过结构阻尼耗散能量的机构。 因为损失了机械能，动量矩守恒原理迫使卫星绕着一根与旋转对称轴倾 斜的轴进动，进动和弯曲运动的动力学耦合能使能量耗散过程继续下去， 直到获得最小能量动力学状态，绕最大惯量轴旋转。 假设用μ 来表示自旋轴惯量与横向惯量之比：
•坚固耐用的设计达到了 MIL-PRF 28800F 2 类标准 •提供清晰的屏幕显示和背光键，让您在各种 光照条件下更容易地查看数据 •配置宽间距键盘，即使戴着手套也能轻松自 如地操作 •使用可选的内置 GPS 接收机和天线，可以更 迅速地获得地理位置数据 •电池使用时间长达 4 小时，并可在现场更换， 确保您能够长时间操作仪器 •能够完全覆盖用户数据和禁用/启用 LAN 端 口或 USB 端口，提升操作安全性
考虑到在无外力矩作用下，航天器动量矩 H 守恒，即在 空间中固定不变， (1)航天器动量矩H、瞬时转速ω 和自旋轴Ox 3个矢量必 定在同一平面内。 (2)ω 在空间的运动由两种圆锥运动合成，一是绕自旋轴 Ox( 即 方向 )的圆锥运动，其转速速率为Ω ；二是绕动量矩H 的圆锥运动，其转速速率为 r H It
•执行多功能和高性能的音频测量 •利用高达 1.5 MHz 的超高带宽进行非常精 确的时域音频信号分析 •同时测量和查看多达 8 个音频通道实时在 一个屏幕上 •轻松的特点，满足音频质量标准
提供更高的测量精度和业界最低的本底噪声，更轻松地完成要求最苛刻的 音频器件测量 •提供低至 < -110 dB 的剩余失真，完成要求最苛刻的器件测量 •提供自动测试和内置测试序列，简化您的测试环境 •扩展分析仪的功能，以包括 4 或 8 个模拟分析仪通道和数字选件、高达 1.5 MHz 的带宽、24 位分辨率和 200 万点 FFT •使用 ITUT-T 标准 POLQA 和 PESQ 完成更高质量的语音和音频测量
通过使用行业领先的分析工具，查看器 件的真实性能，这些频谱分析仪工具能够帮 助您: 使用各种硬件平台满足不断变化的测试需 求—无论是研发领域追求的最高性能，还是 制造环节恰到好处的性能 利用业界最广泛的特定频谱分析软件，实施 更深入的故障诊断或一键式测量 在您优化测试以提升测量性能或吞吐量时， 可以利用经过证明的测量科学以及能够保证 测量完整性的深厚技术来获得可靠的测量结 果 通过升级功能特性和性能，延长测试资产的 使用寿命
美国XSS-10卫星
尖兵一号甲
刚体模型
zb z R , z P
OP xP yP
xR xb
OR yR yb
东方红二号
双自旋陀螺体模型
双自旋准刚体模型
美国QuickBird卫星
多刚体模型
风云一号
刚体-挠性体混合系统
探险者一号卫星
单自旋准刚体模型
实践一号甲
日本ETS VII卫星
多刚体-挠性体-液体的混合系统
Ox沿H动量矩空间锥运动
考虑到在无外力矩作用下，航天器动量矩 H 守恒，即在 空间中固定不变， 由于ω 绕Ox轴旋转，因此Ox也必然作圆锥运动，才可能 使得它们的合矢量H在空间定向 (1)航天器动量矩H、瞬时转速ω 和自旋轴Ox 3个矢量必 定在同一平面内。 (2)ω 在空间的运动由两种圆锥运动合成，一是绕自旋轴 Ox( 即 方向)的圆锥运动，其转速速率为Ω ；二是绕动量矩H 的圆锥运动，其转速速率为
Ix Ix Ix Iy Iz It
zb
z
D
ObBaidu Nhomakorabea
O R
y
yb
xb
x
带有管球型章动阻尼器的自旋卫星
假设自旋部分和消旋部分都近似于刚体，均相对于自旋轴对 称，消旋体绕自旋轴角速度为零，则： (1)由于星体内可动部件的影响，惯量比μ 大于1(短粗) 的双自旋卫星的自旋运动是稳定的。 (2)惯量比μ 小于1(细长)的双自旋卫星，只要消旋部分 的可动部件引起的能量耗散足够快，其运动也是稳定的。 (3) 短粗双自旋卫星的惯量比 μ 设计准则与自旋卫星相 同。 (4) 细长双自旋卫星，为保证稳定，须在消旋部分安装 被动章动阻尼器，或者在星上设置主动章动控制系统。
表面浪花 拱顶冲击 微重力现 象 对接冲击
1、纯自旋状态，液体自由面是以自旋轴为中心轴的 圆柱面，自旋轴是假想液体固化后的系统的惯量主轴 之一。 2、充液卫星必须绕最大惯量轴旋转，而且最大主惯 量轴与其他两个主惯量轴有一定差距。 3、在工程上因为自旋轴与主惯量轴有一小的倾斜角， 使得主轴沿角动量矢量在空间定向，而自旋轴矢量将 绕角动量矢量作圆锥运动，其旋转速率与自旋速率相 同。这种圆锥运动被称为摇摆运动。