卫星姿态动力学与控制2

卫星姿态动力学与控制2汇报人：薛梦轩目录1概述2课本内容3工作映射

1概述卫星姿态确定的基本方法参考矢量法惯性测量法统计估值法姿态测量和姿态确定的最基本方法之一在星体内部建立惯性基准，测量星体相对此基准的姿态变化测量数据量大，种类多，涵盖误差，有冗余空间基准场地球热辐射场1.大气辐射反射2.地球大气固有辐射太阳、恒星方向场太阳的方向场经常用作空间基准场无线电波场地磁场地磁场可作为姿态测量的基准场，地磁矢量为参考量姿态敏感器方向姿态敏感器惯性姿态敏感器测量空间基准场的仪表，能敏感空间基准场矢量在姿态敏感器坐标中的分量值光学敏感器无线电敏感器磁场敏感器力学敏感器包括各种陀螺，利用高速旋转转子的轴在空间指向稳定的原理工作位置陀螺速率陀螺2自旋、双旋卫星的姿态确定2.1自旋、双旋卫星姿态信息测量自旋卫星的姿态指的是卫星自旋轴在惯性空间的方位。自旋卫星通常使用以下姿态敏感器：红外地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器、陆标敏感器。2.1自旋、双旋卫星姿态姿态确定的精度自旋卫星的姿态确定可看成在天球上由观测量求出两条以上姿态轨迹的交点。实际测量中，由于误差，单个测量将给出一个轨迹带而不是一条线，贷款依赖于观测误差，两条测量带交出一个姿态区。

2.1自旋、双旋卫星姿态姿态确定的精度测量值的误差大小误差灵敏度系数两条姿态轨迹带的相关角定姿误差影响因素：

2.1自旋、双旋卫星姿态章动阻尼当卫星的角动量方向与主轴方向不一致时，再无外力矩作用时，一般情况下其运动是带有章动运动的非纯自旋运动。因此，卫星上通常都安装被动章动阻尼器或章动阻尼系统。测量章动通常使用轴向加速度计和光学敏感器。2.2三轴稳定卫星的姿态确定三轴稳定卫星姿态确定的任务是利用星上的姿态敏感器测量所得的信息，经过处理，求得固连于卫星本体的坐标系相对空间某参考系中的姿态。惯性姿态对地姿态2.2利用地敏、太敏确定卫星三轴姿态

2.2地敏、太敏测量三轴卫星姿态误差：敏感器的测量误差随机测量误差、系统测量误差测量基准的误差红外辐射圆盘中心的方向矢量相对地心矢量存在误差轨道参数的误差敏感器的安装误差此为系统误差太阳星历数据+太阳矢量方向+卫星轨道参数2.2利用星敏感器确定卫星三轴姿态星敏感器是姿态敏感器中最精确的测量仪器，测量精度可达角秒级。由于恒星相对于惯性空间的方位是已知的，且保持不变，因此星敏测量值可确定卫星相对于惯性空间的姿态参数，结合该时刻的轨道参数，可从惯性姿态转换得到卫星相对轨道坐标的对地姿态。2.2星敏测量三轴卫星姿态误差：敏感器的测量误差CCD阵列的暗电流，（随机误差）；光学系统畸变（系统测量）轨道参数的误差敏感器的安装误差此为系统误差星敏的测量数据+卫星轨道参数2.2利用轨道罗盘确定卫星三轴姿态：滚动角俯仰角偏航角红外地敏滚动角与偏航角的耦合关系估计由陀螺和红外地敏构成的确定卫星三轴姿态角轨道罗盘2.3统计估计理论：实际应用中，卫星姿态确定测量数据以一定的采样间隔不断产生，数据量大，种类繁多，且需要将不同类姿态敏感器测量数据组合起来综合处理。这类由大量的姿态观测数据求得具有某种统计意义上最优的卫星姿态参数的方法为卫星姿态确定的统计方法。

联合处理的测量值数目越大，每次单个测量误差影响越小，计算结果越精确，这就是统计估计方法的基本原理。2.3统计估计理论：状态矢量：X姿态参数测量参数姿态敏感器性能参数卫星轨道相关参数卫星惯性特性

——系统状态方程2.3统计估计理论：观测矢量：Z姿态敏感器直接输出敏感器测量量处理导出

——观测方程最小二乘法是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

最小二乘法是常用的状态估值方法，对个别野值不敏感，所给出的状态估值稳定性好，地推算法占内存小，适合在线计算。2.3统计估计理论：卡尔曼滤波一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。

卡尔曼滤波理论于50年代末提出，伺候被迅速广泛应用于工程实际，并不断完善和扩展。目前国内外很卫星姿态确定都应用卡尔曼滤波技术。2.3统计估计理论：2.4自旋稳定卫星姿态控制：自旋稳定卫星控制的基本任务：自旋转速控制、章动阻尼、自旋轴进动和发生平旋后的自旋恢复。喷气控制磁力矩控制卫星姿态控制方法星上控制星—地大回路开环控制闭环控制产生控制力矩的方法2.4自旋稳定卫星章动阻尼及控制：阻尼章动就是通过消耗章动的动能而使自旋轴与角动量矢量重合被动式章动阻尼器，内装阻尼物质章动敏感器+执行机构控制方式被动章动阻尼主动章动控制2.4自旋稳定卫星消旋系统：消旋控制系统是一个锁相控制系统，以装在卫星自旋体上的红外地平仪的地中脉冲为输入信号，通过调整消旋电机的转速，使天线脉冲和地中脉冲重合，即此时天线波束指向地心，且在相位锁定时，天线相对于自旋卫星反方向旋转，且转速与卫星相同。消旋方式电子消旋机械消旋消旋控制系统组成敏感器消旋组合件执行机构控制器2.5三轴稳定卫星的喷气控制：以喷气发动机为执行机构的三轴稳定姿态控制系统是一种主动式凌东亮姿态控制系统。其主要优点是响应快、指向精度高，适用于各种轨道上运行的有各种指向要求的卫星。系统特性可在轨道任何位置工作适用于非周期性大干扰力矩场合控制力拒远大于耦合力矩喷气力矩大，过度时间短采用固定推力发动机开关方式2.5三轴稳定卫星的角动量交换装置控制：卫星不受外力矩作用时，按角动量守恒原理，轮系角动量的变化（大小与方向），必将引起卫星本体角动量的反向变化。现代三轴姿态稳定卫星普遍采用：三轴正交安装的反作用轮、三轴正交安装和第四个等倾角斜装的骗纸动量轮构成的零动量系统，固定安装或V型斜装偏置动量系统及双框架动量轮。2.5三轴稳定卫星姿态捕获与姿态机动：

姿态捕获是指从未知的或不控的初始姿态，达到飞行任务所期望的姿态的控制过程。

姿态机动是指由一种姿态过渡到另一种要求姿态的控制过程。常用四元数控制可避免奇异性，星上计算机占用内存少，还能实现某种意义下的最优机动。姿态捕获地球—太阳太阳—地球陀螺地球敏感器太阳敏感器系统测试基本都采用半物理仿真实验方法，及卫星动力学用数字模型代替，控制系统部件部分或全部接入试验回路。通常，敏感器装在运动模拟器上，用目标模拟器激励响应的光学敏感器。姿态敏感器所需测试用电信号源测试敏感器的处理线路用运动模拟器和目标模拟器测试敏感器的性能和功能测试系统组成姿控系统产品系统测试设备运动模拟器目标模拟器2.5卫星姿态控制系统的测试：2.5卫星姿态控制系统的测试：3工作映射功率计和功率传感器波导功率传感器在50至110GHz频率范围内执行精确、可靠的测量。是德波导功率传感器具备最佳SWR、高可靠性和低损耗，并配有50MHz校准端口，可以降低测量不确定度。功率计和功率传感器USB和局域网功率传感器通过即插即用的USB连通性，您可以快速和轻松地对功率传感器进行设置。只需将传感器连接到PC上，便可使用捆绑软件立即执行功率测量。KeysightUSB功率传感器可以让您梦想成真―简单的设置，发挥远超传感器的功能。功率计和功率传感器USB和局域网功率传感器通过即插即用的USB连通性，您可以快速和轻松地对功率传感器进行设置。只需将传感器连接到PC上，便可使用捆绑软件立即执行功率测量。KeysightUSB功率传感器可以让您梦想成真―简单的设置，发挥远超传感器的功能。功率计和功率传感器P系列功率计N8262A是一款小型超薄、符合LXI标准的P系列模块化功率计。它能帮助您减小测试系统体积，通过LAN执行自动功率测量。由于LXI测试实现了标准化，并且N8262A能够与现有的测试设备进行互操作，您的系统可以随时投入测试。30MHz视频带宽，支持100MSa/s的快速连续采样在连接到被测设备的状态下进行归零和校准频率范围：50MHz－40GHzUSB、LAN和GPIB链接后向兼容所有的8480、E系列以及P系列传感器（每个传感器均需N1917A电缆）。功率计和功率传感器EPM和EPM-P系列功率计EPM系列：可在9kHz至110GHz的频率范围内测量-70dBm至+44dBm的平均功率EPM和EPM-P系列提供高性能、可编程的功率计，以执行连续波、平均功率和峰值功率测量。EPM-P系列：与E932XA功率传感器一起使用，可以在高达18GHz频率上测量-65dBm至+20dBm的峰值功率、平均功率和时间选通功率。它可通过GPIB或RS232接口利用PC软件进行完整的脉冲和统计分析。功率计和功率传感器N432A和432A热敏电阻功率计432A/N432A功率计是一款自动自平衡的功率计，可与温度补偿热敏电阻传感器结合使用高效率和良好的射频（RF）匹配是478A和8478B同轴及486系列（现已停产）波导热敏电阻底座的特征，它们覆盖从10MHz到40GHz的频率范围。每个热敏电阻底座均提供数据，显示六个频率上的校准系数和有效效率，这些数据可以直接追溯到美国国家标准与技术研究所（NIST）在这些频率上的标准。NIST在这些频率上提供校准服务。功率计和功率传感器V3500A手持式射频功率计V3500A手持式射频功率计是一款紧凑型手持式仪器，在现场和制造应用中均可精确地测量射频功率。V3500A拥有±0.21dB的绝对精度、10MHz至6GHz的广泛频率范围及-63dBm至+20dBm的测量范围，适用于各种射频测量应用。10MHz至6GHz的广阔频率范围适用于各种应用-63dBm至+20dBm的宽动态范围集成的功率传感器，省去了携带单个功率传感器的麻烦内部的功率参考可进行自我校准±0.21dB的绝对精度可以使用电池、交流直流转换器模块或通过USB接口连接到电脑上来供电功率计和功率传感器53140系列微波计数器/功率计/DVMKeysight53147A微波计数器/功率计/DVM是集全功能20GHzCW微波计数器、真正功率计以及直流DVM全部功能于一身的便携式一体机。它将3种最常用于现场测量的仪器集成到一台设备中，是安装和维护点到点微波链路的理想工具。在ATE系统中，三合一仪器53147A还可节省宝贵的机架空间。Keysight53140系列是集连续波/微波频率计数器、真正功率计以及直流DVM全部功能于一身的便携式一体机。它将三种最常见的现场测量功能整合到一台仪器中，是用于点对点微波链路安装与维护的理想工具。在ATE系统中，这种三位一体的53140系列还可