航天器姿态动力学与控制

第2章 航天器姿态动力学基本方程
日本ETS VIII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
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
zn Bn z z0
x O
xn On rn
y
yn
B0 O0 x0


2 q1q2 q3q0
2 2 2 q0 q12 q2 q3
2 q2 q3 q1q0
2 q1q3 q2 q0 2 q2 q3 q1q0 2 2 2 q0 q12 q2 q3
1 1 C11 C22 C33 2 1 q0 C12 C21 4q3 q3 q1 q2 1 C13 C31 4q3 1 C23 C32 4q3
C C SC S Cba Cz Cx Cz S C C C S S S
C31 C 32
C S SC C S S CC C S C
S S C S C
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
姿态参数-欧拉角
Zb Z2 Za Z1 Yb



Y2 Y1 Ya

Xa

O
Xb
X1 X 2
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
tan 1
C21 C22
sin 1 C23
C13 tan C 33
1
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 C Czyx , , Cx C y Cz C S S S C S S C S C C S C C S S S S S C S S S S C C C
C12 tan C11 sin 1 C13
1
tan 1
C23 C 33
姿态参数 – 欧拉轴/角
Cba cos E3 1 cos e e T sin e
2 cos ex 1 cos ex ey 1 cos ez sin ex ez 1 cos ey sin 2 ex ey 1 cos ez sin cos e y 1 cos ey ez 1 cos ex sin 2 ex ez 1 cos ey sin ey ez 1 cos ex sin cos e z 1 cos
1 1 C11 C22 C33 2 1 q1 C23 C32 4q0 q0 q2 q3 1 C31 C13 4q0 1 C12 C21 4q0
1 1 C11 C22 C33 2 1 q2 C12 C21 4q1 q1 1 q3 C13 C31 4q1 1 q0 C23 C32 4q1
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
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
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
载人航天器
人 造 地 球 卫 星
空 间 探 测 器
空 间 站
载 人 飞 船
航 天 飞 机
科 学 卫 星
技 术 试 验 卫 星
应 用 卫 星
月 球 探 测 器
行 星 和 行 星 际 探 测 器
卫 星 式 载 人 飞 船
绪论
章节安排
第二部分 航天器姿态控制


第7章 第8章 第9章 第10章 第11章 第12章
航天器姿态确定基础 自旋、双自旋航天器的姿态确定 三轴稳定航天器的姿态确定 自旋、双自旋航天器的姿态控制 三轴稳定航天器的姿态控制 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
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
航天器常用坐标系
黄道、赤道、春分点
航天器常用坐标系
zi
飞行器
春分点方向
Oe
r
yi
赤道面
xi

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

赤道面
地心赤道旋转坐标系
航天器常用坐标系
xb xo zb
zo
ω0
地球
பைடு நூலகம்
yb y
o
轨道坐标系和星体坐标系的示意图
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
美国Clementine月球探测器
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
1 1 C11 C22 C33 2 1 q3 C23 C32 4 q2 q2 q0 q1 1 C31 C13 4 q2 1 C12 C21 4 q2
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XSS-10卫星
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
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
r0 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)
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
τ
太阳光
s


nA
dA
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
2. 方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系
C C S S S Cba C y Cx Cz C S S C S C S C S S S C C C S S S C C C S S C C
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
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)
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
姿态参数 – 欧拉轴/角
e v
a
b u
u'

欧拉轴/角坐标变换示意图
姿态参数 – 欧拉轴/角
e
zb
za

z
yb
y x
xa xb
ya
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
2 Cba q0 q T q E3 2qq T 2q0 q 2 2 2 q0 q12 q2 q3 2 q1q2 q3 q0 2 q1q3 q2 q0
对日 ->对地定向 姿态机动
对地 ->对日定向 姿态机动
对地定向工作
太阳光方向 对日定向模式
对地观测卫星的姿态机动
绪论
章节安排
第一部分 航天器姿态动力学



绪论 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章
航天器姿态运动学 航天器姿态动力学基本方程 空间环境力矩 自旋、双自旋航天器的姿态动力学 重力梯度稳定航天器的姿态动力学 三轴稳定航天器的姿态动力学
My y Iz Ix y x z T 2 2 2 Iy Iy ( I x I x2 / I z ) x (I y I y / I z ) y x Ix I y Iz Mz x y T 2 2 Iz I zz [( I x I z I x2 )x2 ( I y I z I y ) y ]
zS z R , z P
OP xP yP
xR xS
OR 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
尖兵一号甲
刚体模型
第2章 航天器姿态动力学基本方程
探险者一号卫星
实践一号甲
单自旋准刚体模型
第2章 航天器姿态动力学基本方程
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
第2章 航天器姿态动力学基本方程
美国QuickBird卫星
2 2 I x2x2 I y y
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
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
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
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 I y Iz Ix Mx x y z T 2 2 2 Ix ( I x I x2 / I z ) x (I y I y / I z ) y
tg 1
cos 1 C33 tg 1
C13 C 23
姿态参数 - 欧拉角
Z2
Z a Z1
Z1 Zb



Y2 Yb

O


Ya
Y1

Xa
X1 X 2
Xb
zxy旋转顺序
姿态参数 - 欧拉角
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