航天器姿态动力学与控制

航天器姿态动力学与控制讲授教师：李立涛学科专业：飞行器设计整理课件绪论整理课件绪论

整理课件单自旋稳定航天器整理课件双自旋稳定航天器风云二号卫星整理课件QuickBird卫星对地定向卫星(气象卫星、资源、侦查卫星等)整理课件哈勃太空望远镜对天体定向的航天器整理课件嫦娥一号卫星(三体定向)整理课件对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论整理课件天线对其他卫星跟踪和定向的航天器绪论整理课件日本技术实验卫星7号(ETSVII)整理课件对地观测卫星的姿态机动整理课件章节安排第一局部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根本方程第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绪论

整理课件第二局部航天器姿态控制第7章航天器姿态确定根底第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

章节安排整理课件参考书目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,20022.?卫星姿态动力学与控制?屠善澄主编.宇航出版社,20013.?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,19984.?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,20035.?空间飞行器动力学与控制?卡普兰著.北京:科学出版社,1981绪论

整理课件第1章航天器姿态运动学整理课件航天器常用坐标系黄道、赤道、春分点整理课件航天器常用坐标系地心赤道惯性坐标系整理课件航天器常用坐标系地心赤道旋转坐标系整理课件航天器常用坐标系轨道坐标系和星体坐标系的示意图整理课件姿态参数-欧拉角基元旋转矩阵整理课件姿态参数-欧拉角zxz旋转顺序整理课件姿态参数-欧拉角方向余弦矩阵和zxz顺序欧拉角的关系整理课件姿态参数-欧拉角zxy旋转顺序整理课件2.方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系姿态参数-欧拉角整理课件3.方向余弦矩阵和zyx顺序的欧拉角的关系姿态参数-欧拉角整理课件姿态参数–欧拉轴/角整理课件姿态参数–欧拉轴/角欧拉轴/角坐标变换示意图整理课件姿态参数–欧拉轴/角整理课件姿态参数–欧拉参数(姿态四元数)欧拉参数与方向余弦矩阵的关系整理课件第2章航天器姿态动力学根本方程整理课件第2章航天器姿态动力学根本方程刚体模型尖兵一号甲美国XSS-10卫星整理课件探险者一号卫星单自旋准刚体模型第2章航天器姿态动力学根本方程实践一号甲整理课件东方红二号第2章航天器姿态动力学根本方程双自旋准刚体模型双自旋陀螺体模型整理课件第2章航天器姿态动力学根本方程多刚体模型美国QuickBird卫星整理课件刚体-挠性体混合系统风云一号第2章航天器姿态动力学根本方程整理课件刚体-挠性体-液体的混合系统美国TDRS卫星第2章航天器姿态动力学根本方程整理课件日本Jers-2卫星第2章航天器姿态动力学根本方程刚体-挠性体-液体的混合系统整理课件日本ETSVII卫星第2章航天器姿态动力学根本方程多刚体-挠性体-液体的混合系统整理课件日本ETSVIII卫星第2章航天器姿态动力学根本方程刚体-挠性体-液体的混合系统整理课件大型挠性体系统第2章航天器姿态动力学根本方程整理课件大型挠性空间结构(太阳帆)第2章航天器姿态动力学根本方程整理课件第2章航天器姿态动力学根本方程整理课件第3章空间环境力矩整理课件第3章空间环境力矩美国子午导航卫星(重力梯度卫星)整理课件第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)整理课件第3章空间环境力矩反射类型整理课件第3章空间环境力矩整理课件第3章空间环境力矩整理课件第3章空间环境力矩大气密度分布图整理课件第3章空间环境力矩整理课件第3章空间环境力矩当地磁测坐标系的示意图

整理课件第3章空间环境力矩航天器环境力矩相对幅值整理课件第4章自旋、双自旋航天器

姿态动力学整理课件第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整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学美国〞LunarProspector〞月球探测器整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学美国Clementine月球探测器整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学整理课件国际通信卫星IV国际通信卫星VI第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学整理课件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整理课件风云二号气象卫星第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋体的本体锥整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学扁粗体航天器的空间锥和本体锥整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学细长体航天器的空间锥和本体锥整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋航天器在惯性空间的运动整理课件第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)整理课件第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整理课件第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整理课件第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整理课件第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整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学美国探险者一号卫星整理课件第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整理课件第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注：美国“伽利略〞号木星探测器采用的动力学模型整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学带有管球型章动阻尼器的自旋卫星整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学InterSat-IV通信卫星InterSat-III通信卫星整理课件第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学轴对称双自旋航天器整理课件第5章重力梯度稳定航天器

姿态动力学整理课件(a)

(b)

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

整理课件第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学整理课件美国子午仪一号导航卫星第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学整理课件重力梯度加恒值动量轮第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学整理课件第6章三轴姿态稳定航天器

姿态动力学整理课件第6章三轴姿态稳定航天器姿态动力学惯性轮框架动量轮整理课件11.2采用角动量交换装置的姿态控制系统惯性轮DynaconMicroWheel1000单框架控制力矩陀螺AstriumCMG15-45s整理课件第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整理课件第7章航天器姿态确定根底整理课件第7章航天器姿态确定根底坐标系绕单参考矢量的转动整理课件第7章航天器姿态确定根底双矢量定姿中观测矢量存在误差的情况整理课件第7章航天器姿态确定根底平台惯导的稳定平台整理课件第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定整理课件自旋轴的赤经、赤纬第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定整理课件第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定余弦定理:正弦定理:球面三角公式整理课件第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定球面直角三角公式(10个常用公式)1.一直角边及其邻角，求该角对应的直角边整理课件V型狭缝式太阳敏感器的测量几何第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定整理课件第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定常用的V型狭缝式太阳敏感器的测量几何整理课件第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋扫描式红外地球敏感器测量原理图

整理课件地球弦宽测量几何

第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定整理课件第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定星体对地球的视角半径整理课件双锥相交法示意图第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定整理课件航天器中心天球示意图

第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定整理课件三体锥确定唯一姿态的几何原理图第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定整理课件第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定用转动角确定姿态唯一解的示意图整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定余弦检测器的工作原理整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定模拟式太阳敏感器的工作原理整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定编码式太阳敏感器的测量原理整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定CCD太阳敏感器的测量原理整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定单轴太阳敏感器的测量几何及数学模型整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定双轴太阳敏感器的测量几何及数学模型整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定单圆锥扫描式地球敏感器整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定圆锥扫描式地球敏感器的工作原理整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定圆锥扫描式地球敏感器的测量几何整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定圆锥扫描红外敏感器的两种典型布局整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定双地平摆动扫描地球敏感器测量原理整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定辐射热平衡式地球敏感器的原理整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定恒星在CCD上成像的几何关系整理课件第9章三轴稳定航天器的姿态确定“东方红三号〞卫星太阳敏感器安装位置整理课件第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制整理课件第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制同步轨道卫星远地点变轨的几何关系整理课件自旋、双自旋航天器自旋轴姿态的星-地大回路控制第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制整理课件第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制美国Clementine月球探测器整理课件第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制自旋体的本体锥整理课件喷气力矩作用下姿态运动示意图第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制整理课件角动量进动示意图第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制整理课件第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制整理课件第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制整理课件第10章自旋、双自旋航天器的姿态控制整理课件第11章三轴稳定航天器的姿态控制整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制11.2采用角动量交换装置的姿态控制1)整星零动量轮控系统2)偏置动量轮控系统11.3航天器姿态捕获与姿态机动控制第11章三轴稳定航天器的姿态控制整理课件喷气姿态控制系统系统框图11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制推进系统种类整理课件推力器电磁阀结构原理图11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件喷气执行机构的动态特性

整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制理想开关特性的推力器数学模型带有时延开关特性的推力器数学模型整理课件典型的6+2姿控推力器布局图〔HY-1A〕11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件神舟飞船的推进系统推力器布局11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件正力矩作用下的相轨迹曲线

不同力矩作用下的相轨迹曲线11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件负力矩作用下的相轨迹曲线

零力矩作用下的相轨迹曲线

11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件理想继电控制器的喷气姿态系统框图11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制理想继电控制器的喷气控制系统相平面图整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制带有死区特性的继电控制器的喷气姿态系统框图整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制带有死区特性的继电控制器的相轨迹整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制带有死区特性的继电控制器的相轨迹(有常值干扰力矩)整理课件死区特性继电器+比例微分环节控制器的单轴喷气姿态控制系统框图

11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件带有死区特性继电器+比例微分环节控制器的相轨迹11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制斯密特环节+比例微分环节控制器的单轴喷气姿态控制系统框图

整理课件带有斯密特控制器的单回路姿态控制系统相轨迹(无滑行现象)11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制带有斯密特控制器的单回路姿态控制系统相轨迹(滑行现象)整理课件常值正干扰力矩形成单边极限环的情况11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件考虑推力器时延的极限环11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件用速率陀螺得到姿态角速率的方法11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件采用超前校正控制器的单轴喷气姿态稳定控制系统框图

11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件数字式相平面控制律11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件采用伪速率控制器的单轴喷气姿态控制系统框图11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件伪速率控制器的工作特性11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件11.1三轴稳定航天器的喷气控制连续控制系统离散控制系统整理课件采用脉宽调制器的喷气姿态控制系统框图脉宽调制器：11.1三轴稳定航天器的喷气控制整理课件整星零动量轮控系统的构型方案三正交反作用轮方案由偏置动量轮组成的整星零动量方案11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件直流电动机动态原理图

11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件直流电机等效数学模型11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件力矩模式的飞轮等效模型框图

11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件转速模式飞轮的等效模型框图

11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件零动量轮控系统框图整星零动量轮控系统数学模型的简化11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件选择zyx顺序的姿态角作为姿态参数〔2〕1.姿态动力学模型(带有惯性轮的刚体)〔1〕飞轮控制力矩11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件简化假设条件：1〕飞行器的轨道为近圆轨道；2〕飞行器的体坐标系与其主惯量坐标系重合；3〕正常控制时，姿态角和姿态角速度均为小量线性化后的姿态动力学模型为：11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件2.执行机构环节(1)力矩模式飞轮等效模型〔2〕转速模式飞轮等效模型3.姿态确定环节结论：采用陀螺进行姿态预估时，可视为比例环节11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件假设：1〕采用三正交反作用轮构型方案2〕对地定向低轨卫星(刚体)3〕采用力矩模式反作用飞轮4〕姿态确定环节时间常数忽略不计姿态动力学模型：整星零动量轮控系统的设计11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件1.俯仰通道设计当时，闭环时域方程为11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统控制律：整理课件11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统〔1〕脉冲干扰力矩〔2〕阶跃干扰力矩整理课件11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统(3)周期干扰力矩结论：周期性干扰作用下，存贮到飞轮的最大动量矩是有限量。

轮控系统适用于存在周期性干扰力矩的环境。

整理课件2.滚动-偏航通道设计控制律：PD控制+角动量解耦回路11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件3正交+1斜装构型方案11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件1.根据期望控制力矩计算飞轮指令2.控制指令分配3.实际产生的控制力矩11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件四反作用轮斜装方案11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件按功耗最省得到的分配矩阵：11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件(最正确安装角)最正确安装角：11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件单轮可靠性安装构型冗余度三正交无备份00.7290.77060.8574三正交各加备份10.97030.97940.9925三正交加一斜装10.94770.96290.9860四个斜装10.94770.96290.9860五个斜装20.991440.99500.9988六个斜装30.998730.99940.9999轮控系统构型的冗余度与可靠性的关系11.2整星零动量三轴稳定航天器的轮控系统整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制对地定向偏置动量三轴稳定航天器示意图整理课件俯仰通道简化动力学模型：滚动-偏航通道简化动力学模型：11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制开环系统特征方程式为

简写为：整理课件长周期自由运动短周期自由运动11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件偏置动量飞行器自由运动的姿态示意图11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制滚动-偏航通道的自由姿态运动整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件外干扰情况下星体角动量的运动示意图11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制忽略章动运动整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制控制思想：解耦控制滚动-偏航通道姿态动力学方程整理课件偏置动量三轴稳定航天器滚动-偏航角的转换

11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制固定偏置动量轮控系统典型构型斜置喷气控制

磁力矩器控制

整理课件双动量轮V型构型11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制单自由度偏置动量轮控系统典型构型1动量轮+1反作用轮构型整理课件框架动量轮构型方案1动量轮+2反作用轮构型方案11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制双自由度偏置动量轮控系统典型构型整理课件采用推力器的固定偏置动量轮控系统结构11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制长周期运动姿态系统方框图整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制当闭环系统复域方程式整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制开环系统复域方程整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制闭环系统复域方程式闭环系统特征方程式根轨迹标准形式整理课件短周期运动姿态稳定系统的根轨迹图

11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制固定偏置动量控制系统姿态稳定系统方框图

整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制滚动和偏航通道的开环传递函数：

整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制闭环系统复域方程式整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制根轨迹标准形式滚动通道的开环传递函数：

整理课件固定偏置动量控制姿态稳定系统的根轨迹图

11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制当整理课件11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制用伪速率控制器代替比例微分环节的控制系统框图

整理课件固定偏置动量控制系统滚动-偏航姿态运动描述

11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件用双脉冲控制来阻尼章动运动的工作原理11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件时作用一个脉冲后的章动半径11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件典型的滚动-偏航双脉冲控制器结构

11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件用正负双脉冲消除双边极限环的原理

11.3偏置动量轮控系统的姿态稳定控制整理课件11.4姿态捕获和姿态机动控制一种典型的对地观测卫星敏感器布局示意图整理课件星体单轴转速控制框图11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件0-1太阳敏感的配置和安装示意图11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件整理课件11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件双轴太阳敏感器的测量几何及数学模型11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件对日定向控制单轴姿态控制原理框图

11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件消初偏控制回路框图11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件地球捕获回路控制框图11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件姿态稳定控制回路11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件偏航姿态角加速度和角速度的一种参考轨迹

11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件基于四元数的姿态稳定控制框图

11.4姿态捕获和姿态机动控制整理课件第12章航天器姿态控制系统设计概述

12.1航天器姿态控制系统12.2航天器控制系统仿真技术12.3航天器姿态控制系统设计和实现12.4航天器姿态控制系统方案设计范例

整理课件12.1航天器姿态控制系统自旋稳定飞行器原理整理课件重力梯度稳定飞行器原理美国子午仪一号导航卫星12.1航天器姿态控制系统整理课件重力梯度加恒值动量轮的姿态稳定控制

重力梯度加陀螺力矩器的姿态稳定控制12.1航天器姿态控制系统整理课件半主动自旋姿态稳定控制半主动双自旋姿态稳定控制12.1航天器姿态控制系统整理课件纯三轴喷气姿态控制系统12.1航天器姿态控制系统整理课件偏置动量飞轮姿态控制系统

12.1航天器姿态控制系统零动量飞轮三轴姿态控制系统整理课件一种混合姿态控制系统12.1航天器姿态控制系统整理课件12.1航天器姿态控制系统姿控系统类型名称指向精度姿态机动能力寿命被动自旋稳定1~10度无7-10年重力梯度稳定1~10度无>10年半被动重力梯度+恒值飞轮0.5~5度无7-10年重力梯度+半被动阻尼器1~5度无>7年半主动半主动自旋稳定0.1~1度有一定能力7-10年半主动双自旋稳定0.1~1度有一定能力5-10年主动纯三轴喷气姿态稳定0.1~1度任意1~30天零动量轮控系统0.01~1度任意2~7年偏置动量轮控系统0.1~1度有一定能力5~15年混合系统分级控制/多自由控制0.01~1度--不同类型姿态控制系统的比较整理课件12.2航天器控制系统仿真技术航天器特点：环境条件恶劣、不可维修性航天器控制系统仿真技术