卫星姿态动力学1

技与惠普和安捷伦一脉相承，因此拥有世界一流的测量平台、软件和
一致性测量技术，为无线通信、航空航天与国防以及半导体等市场提 供最先进的测量解决方案。公司拥有 9500 名员工，遍及全球 100 多个 国家，为客户提供卓越服务。 是德科技专注于测量技术，旨在帮助科学家、研究人员和工程师精 准和充满信心地应对最严苛的测量挑战。他们的产品和服务将帮助他 们在测量方面取得显著突破，其业务涉及电子测量仪器、系统和相关 软件，软件设计工具和服务等领域。
带挠性附件卫星动力学
大型挠性附件结构的控制要求： ★刚、弹模态同时控制； ★鲁棒性要求； ★避免溢出。
简单
复杂
带推进消耗带挠性附件
常微分方程和偏微分方程相互耦合 的动力学模型 利用有限元将复杂的挠性附件离散 为有限自由度的系统，建立整星的 有限自由度的动力学模型 将推进剂作为固连于刚体上的质点， 建立卫星动力学模型
充
液
卫
星
热管
磁粘性流体阻尼器
科学实验所需制冷剂—液氮
分析液体运动对卫星姿态控制可能造成的影响则必须考虑:液体的固有模态和频率；液 体对固壁的作用力和力矩特性；液体运动的阻尼特性以及液体运动的计算和试验方法。
充液卫星的基本概念
01 液体运动
★横向晃动 ★纵向晃动 ★旋转晃动 ★内部涡旋 ★漩涡形成 ★表面浪花 ★拱顶冲击 ★微重力现象
感 谢 您 的 观 看
模 态 截 断 和 溢 出
模态截断：在工程设计中，对动力学方程进行进 一步的降阶，截去对系统的稳定性和性能影响较 小的模态坐标，保留影响较大的模态坐标。
模态溢出 控制溢出：实际作用在卫星上的力和力矩仍然会 激发被截去的模态坐标，这种现象被称为控制溢 出。 观测溢出：卫星的姿态敏感器安装在刚性主体上， 被截去的模态仍然会包含在姿态测量的结果中， 这种现象称为观测溢出。
自旋卫星姿态动力学
刚体绕最大惯量轴及最小惯量轴的转动 永久稳定，绕中间惯量轴的永久转动不 稳定—“网球拍原则”。 绕最大惯量轴X的永久转动稳定 绕最小惯量轴Z的永久转动稳定
绕中间惯量轴Y的永久转动不稳定
自 旋 稳 定 结 论
最大或最小惯性主轴为稳定转动轴，中间轴不稳定。
自旋卫星姿态动力学
自旋卫星姿态动力学
重 力 梯 度 力 矩
重力梯度力矩是由于航天器各部分具有不同的重力而产生的。其大小 和地球引力场以及航天器的质量分布特性有关。
气
动
力
矩
航天器表面所受气动示意图
★1000KM以下的轨道必须考虑气动力矩； ★500KM以下的轨道气动力矩为主要的空间干扰力矩。
大气密度分布图
太 阳 辐 射 力 矩
辐射力矩的来源： ★太阳直接照射以及航天器质心和 重心不重合引起； ★地球反射的太阳光和地球及其大 气层的红外辐射； ★航天器上的电磁能（有红外线或 无线电讯号）的不对称辐射。 轨道高度在1000KM以上且表面积大 的航天器，特别是针对具有单翼太 阳帆板的航天器。
示
波
器
是德科技的示波器拥有以下优点： ★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； ★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； ★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； ★是德科技精简系列 USB 示波器外形紧凑，而 功能毫不逊色。
被动控制
自旋稳定
主动控制
质量排出控制 动量交换控制 磁控制
重力梯度稳定
磁稳定 气动稳定 辐射压稳定
环境力矩控制
姿态控制系统的设计
概念研究
根据卫星的总体任务要求和约束条件确 定卫星的姿态
方案设计
建立系统的数学模型并进行验证，采用稳 定性分析和系统性能数学仿真确定方案
技术设计
在方案设计的基础上根据卫星结构、能源、 测控、热控和运载发射技术等技术约束条 件对姿态控制系统进行详细的设计和实验
重力梯度被动稳定是航天器利用地 球或其他天体的引力场，在不依靠 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。 优点长寿命，功耗低；缺点制动力 矩小，指向精度低。
利用航天器各部分质量在重力场中 具有不同的重力，以及在轨道运动 中产生不同的离心力，重力和离心 力产生一个合力矩即重力梯度力矩， 可稳定航天器，使航天器的某个方 向指向地球。
在星上设置主动章动控制系统。
双自旋消旋控制系统
消旋控制系统是双自旋卫星的关键部分， 连接消旋平台和自旋体两部分。 消旋控制系统的主要任务：
★保证星上通信天线始终精确指向而不
随星体转动，以实现通信； ★为射频信号提供一个机械转动环节， 使射频信号可以通过它而进入天线。
重 力 梯 度 稳 定 卫 星
重力梯度杆伸展形式
卷伸式重力梯度杆伸展方式
套筒式重力梯度杆伸展方式
电机伸展机构
带 挠 性 附 件 卫 星
带挠性附件卫星一般是指结构由刚性 主体（或中心刚体）和挠性附件组成 的卫星。 卫星的姿态测量和控制执行机构均安 装在刚性主体上，且刚性主体的质量 远远大于挠性附件的质量。 一般采用混合坐标系来描述带挠性附 件卫星的运动，即中心刚体的运动用 通常描述刚体的坐标，而挠性附件的 运动则采用离散的模态坐标描述。
重
力
梯
度
杆
重力梯度力矩的大小与航天器惯量分布有 关。重力梯度伸缩杆就是为重力梯度稳定 航天器提供所要求的结构形状和惯量分布， 以产生较大的稳定力矩。 重力梯度伸缩杆在发射前收卷在伸缩杆机 构中，入轨后由伸杆机构将重力梯度杆伸 展出来。目前可作为伸杆机构的形式很多， 如卷伸式，套筒式和电机控制伸展等形式。
自旋卫星姿态动力学
双 自 旋 卫 星 稳 定 性
根据最大惯量轴原理，应 该选择盘状卫星，但是由 于受到火箭形状的限制， 所以盘转卫星的运载问题 很难得到解决。为此，双 自旋稳定卫星孕育而生。 同时双自旋稳定卫星可以 使星载有效载荷（通信天 线，观测仪等）定向。
双 自 旋 卫 星 稳 定 性
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： ★由于星体内可动部件的影响，惯量比大于1（短粗）的双自旋卫星的自 旋运动是稳定的； ★惯量比小于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； ★短粗双自旋惯量比设计准则与自旋卫星相同； ★细长双自旋卫星，为保证稳定，须在消旋平台装被动章动阻尼器，或者
02 力学模型
★液体运动固有频率低
03 等效力学模型
★仍能基本上反映液体对 航天器的作用 ★全部位离散坐标的常微 分方程 ★刚性姿态参数保留 ★液体运动具有直观性
★液体均匀不可压缩
★液体接近理想流体 ★忽略液体表面张力
★液体做微副振动
★对接冲击
Part four
工作映射
公
司
简
介
是德科技公司是全球领先的电子测量公司，通过在无线、模块化和 软件解决方案等ห้องสมุดไป่ตู้域的不断创新，为您提供全新的测量体验。是德科
欧
拉
角
欧
拉
角
绕ZXZ轴旋转
绕ZXZ轴旋转
用来确定定点转动刚体位置的3个一组独立角参量，由章动角θ 、旋进角 （即进动角）ψ 和自转角ϕ组成
Part two
空间环境力矩
环境力矩对姿态的影响
航天器所受合外力矩： ★控制力矩：姿态稳定和姿 态机动 ★空间扰动力矩：航天器受 摄变化 空间扰动力矩： ★气动力矩 ★重力梯度力矩 ★磁干扰力矩 ★辐射力矩
手
持
示
波
器
手持式示波器具有： ★三位一体的双通道手持式示波器，内置数字万用表和数据 记录仪功能； ★符合CAT III 600V通道间隔离度标准，能够安全地执行大功 率信号分析； ★高达200MSa/s采样率和2Mpts深存储器，让您对信号细节 一览无余； ★双窗口缩放功能支持您轻松识别并放大问题区域，以进行 更详细的分析； ★提供三种显示模式（室内、室外或夜间），使用户可在任 何光线条件下进行信号调试； ★ 10种本地化用户界面任选； ★ USB2.0全速I/O接口； ★使用在阳光直射条件下也能清晰显示的 5.7 英寸 VGA TFT LCD 显示屏（色彩强度增强），波形细节纤毫可辨； ★更高的分辨率和更宽的视角让用户可以更精确地查看信号； ★在时域和频域中进行更快速的波形分析。
太 阳 辐 射 力 矩
反射的类型
地
磁
力
矩
地磁力矩是由航天器的磁特 性和环境磁场的相互作用而 产生的。确定这个力矩需要 知道环境磁场（如地磁场） 的强度和方向、航天器的磁 矩，以及这个磁矩相对于地 球磁场的向量方向。
地磁场模型
Part three
卫星姿态动力学
自旋卫星姿态动力学
自旋卫星具有： ★定向性—转轴方向在惯性空间 中保持不变； ★稳定性—转轴受干扰后，会自 原来位置复制转动，或回到原来 位置。 在研究自旋稳定卫星姿态动力学 时，常把其作为刚体来看待。
卫星姿态动力学与控制（1）
汇报人：马佳
Part one
概 述
卫 星 姿 态 控 制 概 述
目的：通过控制作用克服干扰以消除由姿态测量给出的实际姿态与期望姿态的偏差。
姿态稳定
姿态控制
将卫星上安装的有效 载荷对空间的特定目 标定向、跟踪或扫描
卫星姿态要求
卫星从一种姿态转
变到另一种姿态
卫 星 姿 态 控 制 技 术
频
谱
分
析
仪
频谱分析是一种将复噪声号分解为较简单信号 的技术。许多物理信号均可以表示为许多不同 频率简单信号的和。找出一个信号在不同频率 下的信息（可能是幅度、功率、强度或相位等） 的作法就是频谱分析。是德科技频谱分析仪的 优势： ★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。
准刚体模型：从运动学角度视为刚体，不考虑相对运动；从动力学视为 非刚体，有能量损失。
航天器短期运动采用能汇法进行研究。 能汇法： ★航天器内部各部分的相对运动对其整体的影响足够小，从而可以忽略 相对运动，可以用刚体运动来近似描述真是航天器的整体运动。 ★航天器内部不存在能源，却存在着内部各部分相对运动形成的能汇 （能量耗散机构），使得总机械能在自旋姿态运动过程中逐渐缓慢地减 小。
频
谱
分
析
仪
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