航天器姿态动力学与控制

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
Cba Cz Cx Cz SC CC S
CC SS S
Cba
Cy
Cx
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
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
S S
CS SCC SS CCC
S C
SS
C S
C
tg
1
C31 C32
cos1 C33
tg 1
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
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
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
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
SS CSC
C S CC SS S SS CS S
S
SC
CC
tan
1
C12 C11
sin1 C13
tan 1
源自文库
C23 C33
姿态参数 – 欧拉轴/角
Cba cos E3 1 cos e eT sin e
ex
cos ex2
ey 1 cos
1 cos ez sin
1 2
1 C11 C22 C33
q2
1 4q1
C12
C21
q3
1 4q1
C13
C31
q0
1 4q1
C23
C32
q2
1 2
1 C11 C22 C33
q3
1 4q2
C23
C32
q0
1 4q2
C31
C13
q1
1 4q2
C12
C21
q3
1 2
1 C11 C22 C33
q0
1 4q3
C12
2q1q2 q3q0
q02 q12 q22 q32
2q2q3 q1q0
2q1q3 q2q0 2q2q3 q1q0
q02 q12 q22 q32
q0
1 2
1 C11 C22 C33
q1
1 4q0
C23
C32
q2
1 4q0
C31
C13
q3
1 4q0
C12
C21
q1
exez 1 cos ey sin
exey 1 cos ez sin cos ey2 1 cos
eyez 1 cos ex sin
ex ey
ez ez
1 1
cos cos
ey ex
sin sin
cos ez2 1 cos
姿态参数 – 欧拉轴/角
e
v
u' b
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
a
u
欧拉轴/角坐标变换示意图
姿态参数 – 欧拉轴/角
zb
za
e
z
y
x
xa xb
yb 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
Cba q02 qTq E3 2qqT 2q0q
q202
q12 q22 q32 q1q2 q3q0
2q1q3 q2q0
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
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
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
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
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)
对地->对日定向 姿态机动
太阳光方向
对日->对地定向 姿态机动