8姿轨控分系统设计2

第八讲姿轨控分系统设计2主要内容•几个概念•姿轨控分系统功能•姿态和轨道动力学基础•航天器常用几种轨道•姿态运动学和动力学•姿轨控方案要求和类型姿轨控系统的组成常用敏感器和敏感器选择•常用执行器和执行器选择•姿态确定和控制算法•地面仿真试验验证•仿真试验阶段划分•测试系统组成•测试系统功能•整星集成后关注事项6.1姿轨控分系统功能和组成1）功能完成卫星姿态和轨道控制，满足平台要求和载荷对姿态和轨道的要求。2）系统组成敏感器、执行器和控制器三部分组成。控制器控制器输出控制指令分配执行机构姿态动力学和运动学姿态确定算法姿态敏感器确定姿态目标姿态干扰力矩真实姿态+++－2020/1/244测量航天器的姿态，有各种测量部件组成。通常用的有太阳敏感器、红外地球敏感器、速率陀螺、星敏感器等。不同的测量部件可组成不同的测量系统，达到不同的测量精度。6.2常用敏感器和敏感器选择常用敏感器和敏感器选择敏感器精度特性和实用性磁强计地球敏感器太阳敏感器星敏感器陀螺仪射频敏感器10°(5000㎞轨道高度)5°(200㎞轨道高度)0.05°（静止轨道）0.1°（低高度轨道）0.01°2″0.001°/h0.01°~0.5°测量相对于地球当地磁场的姿态。磁场的不确定性和时变性限制了精度，实用于6000㎞以下的轨道高度。地平的不确定性限制了精度，高精度地球敏感器一般使用扫描方法。一般视场为±30°。一般视场为±6°。正常使用时要定期校正基准位置的漂移一般敏感器选择根据指标要求、定姿模式以及运行轨道确定。姿控系统误差定姿误差控制误差敏感器误差定姿算法误差其它误差执行器误差控制器误差动力学及其它误差（1）磁强计磁强计是以地球磁场为基准，测量航天器姿态的敏感器。磁强计本身是用来测量空间环境中磁场强度的。由于地球周围每一点的磁场强度都可以由地球磁场模型事先确定，因此利用航天器上的磁强计测得的信息与之对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。与其它敏感器组合定姿，适用于低轨卫星。（2）地球敏感器通过敏感地球目标的自身红外辐射实现卫星滚动和俯仰角姿态的测量，与其它敏感器组合测量偏航姿态。通过敏感地球目标的静态红外地球敏感器红外地球敏感器工作原理2020/1/249红外地球敏感器地球敏感器有地球反照敏感器和红外地球敏感器，地球反照敏感器在航天器控制系统中应用比较少，而红外地球敏感器在航天器的姿态控制系统的姿态测量中，得到广泛应用。红外地球敏感器是对地球辐射的红外敏感，并借此获得航天器相对于地球的姿态信息。红外地球敏感器广泛采用二氧化碳的吸收带（波段为14~16微米）的工作波段，可以较为稳定地确定地球轮廓和辐射强度。红外地球敏感器由光学系统、探测器和处理电路组成。2020/1/2410穿越式红外地球敏感器，它的视场对地球作扫描运动，当视场扫过地平时，感受到的红外辐射功率发生剧烈的变化，发生变化时的扫描角（运动部分绕扫描轴的转角）是姿态的函数。在自旋稳定的航天器上安装一种借助于航天器的自旋的地球进行扫描的穿越式的红外地球敏感器。辐射平衡式红外地球敏感器，对地球边缘某些地区的辐射敏感并加以比较，以获得姿态信息。它没有活动部件，因此常常称为静态红外地球敏感器。有一种最简单的静态红外地球敏感器，能同时感受地球边缘4个区域的红外辐射。2020/1/2411红外地球敏感器在航天器的姿态控制中，圆锥扫描式的红外地球敏感器，利用基准的变化和扫描宽度的变化，可以进行航天器的俯仰和滚动两个方向的姿态测量，从而使一个红外地球敏感器起着两个通道的作用。红外地球敏感器的测量精度：随机误差≤0.10(3)；系统误差≤0.050(3)。（3）太阳敏感器利用太阳离地球近、亮度高、发光均匀性好等特性测量太阳矢量在卫星本体坐标位置，用于卫星对日姿态确定，与其他敏感器组合确定卫星三轴姿态,包括模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器。数字太敏模拟太敏模拟太敏工作原理2020/1/2413太阳敏感器：太阳敏感器对太阳辐射敏感并借此获得航天器相对于太阳的方位。太阳敏感器按照输出信号方式的不同，还可分为模拟式和数字式两种基本类型。模拟式太阳敏感器,例如自旋稳定卫星广泛使用V形缝式太阳敏感器。它具有两条狭缝，其中一条缝与卫星自旋轴平行，另一条缝倾斜一个角度，构成V型。每条缝的后面装有硅光电池。数字太阳敏感器，用于三轴稳定的航天器的姿态测量，是由狭缝和码盘组成。使用时都采用编码方式。其测量精度可以达到0.10(测量角为640)和0.050(测量角为320).数字太阳敏感器的模型。（4）星敏感器以某一颗亮度高于+2可见星等的恒星为基准，测量其相对于航天器的角位置，并同星历表中该星的角位置参数进行比较，来确定航天器的姿态。也即通过对恒星星光的敏感来测量航天器的某一个基准轴与该恒星视线之间的夹角。CCD星敏感器CCD星敏感器原理：采用电荷耦合器件图像列阵作为检测器，电荷耦合器具有垂直和水平像素。CCD星敏感器与其他星敏感器相比较具有非常突出的优点。它能够同时跟踪多颗星，对磁场不敏感，精度得到改善。CCD星敏感器被认为是最有发展前途的星敏感器，我国目前也正在积极地发展这一技术。2020/1/2415星敏感器星敏感器是对恒星辐射敏感，并借此获得航天器相对于地球的姿态信息的光学敏感器。它是通过对恒星辐射的敏感来测量后天器中某一个基准轴与已知恒星的视线之间的夹角，由于恒星远离地球和航天器，故恒星的张角非常小（0.04~0.005）,因此星敏感器测量精度很高，比太阳敏感器高一个数量级，适用于航天器的高精度姿态控制。星敏感器分为星图仪和星跟踪器。（5）陀螺星上唯一测量卫星惯性姿态角速度敏感器。种类：动调陀螺、液浮陀螺、光纤陀螺等。光纤陀螺光纤陀螺优点：精度高，且零偏随温度变化小。2020/1/2417惯性敏感器（陀螺仪）：惯性敏感器是利用惯性原理工作的，它有两个重要特性：定轴性：其高速旋转的转子具有力图保持其旋转轴在惯性空间内的方向稳定不变的特性；转子角动量即矢量H是绕自旋轴的转动惯量J和自旋角速度的乘积(H=J)。进动性：在外力矩作用下，旋转的转子力图使其旋转轴沿最短的路径趋向外力矩的作用方向。干扰力矩引起转子进动角速度称为陀螺的漂移率。惯性敏感器有滚珠轴承自由陀螺仪、液浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪、激光陀螺仪以及逐渐成为实用的光导纤维陀螺仪。液浮速率积分陀螺组件，测量范围为40/s，随机漂移0.30/h(1)。6.3常用执行器和执行器选择•(1)反作用飞轮控制力矩小，精度高。•(2)推力器控制力大，常用轨控。•(3)磁力矩器控制力矩小，与地磁场作用产生控制力矩，常用反作用飞轮卸载。2020/1/2419控制系统的执行机构：推力器：冷气（氮气）系统和肼系统、偏置动量轮加磁控（磁力矩器）、零动量控制（反作用飞轮）。作为长寿命卫星，一般情况下使用反作用飞轮或者偏置动量轮加磁控（磁力矩器）。肼系统是在遇到比较大的扰动才使用，如航天器入轨和大的活动部件的展开等情况。航天器在轨道上基本上是用轮控的途径实现控制。中心计算机是根据敏感器测量的信息，对信息进行处理后，按照给定的控制规律产生或发出控制指令，（1）反作用飞轮•根据“动量矩守恒”原理，改变安装在航天器上的高速旋转刚体的动量矩，从而产生与刚体动量矩变化率成正比的控制力矩，作用于航天器上使其动量矩相应变化，这种过程称为动量交换。实现这种动量交换的装置称为飞轮或飞轮执行机构，飞轮执行机构只能用于航天器的姿态控制。反作用飞轮（2）推进组件根据牛顿第二定律，利用质量喷射排出，产生反作用推力，这也正是这种装置被称为推力器或喷气执行机构的原因。当推力器安装使得推力方向通过航天器质心，则成为轨道控制执行机构；而当推力方向不过质心，则必然产生相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。质量排出型推力器（3）磁力矩器磁力矩器就是通电线圈，通电线圈产生的磁矩与地球磁场相互作用就可产生控制力矩，实现姿态控制。当两者互相垂直时，磁力矩最大；当两者相互平行时，磁力矩为零。磁力矩器6.4定姿和控制算法敏感器组合完成姿态确定方案①太敏+地敏+陀螺；②太敏+磁强计+陀螺；③星敏感器+陀螺④地敏+磁强计+陀螺双矢量定姿姿态控制算法xω2xω1bixωωαIIIIIIIVVVIVIIVIIIVω2ω1ω0α1α2推力器继电特性推力器相平面控制errderrpCωKAKT反作用轮PD控制器姿态控制算法edtKeeidpCKKT比例：提高精度和响应时间微分：阻尼，影响超调量积分：消除静差磁力矩器卸载算法开始卸载模式01计算每个飞轮角动量h=JΩ飞轮转速Δhi=0输出磁力矩器三轴控制指令是否确定飞轮标称角动量H飞轮使用状态计算每个飞轮需要卸载角动量，对于不使用飞轮需要卸载角动量为0|ΔHi|k1或K1|ΔHi|k2Δhi=Hi-hi计算合成卸载角动量ΔH=Cw*Δh计算磁力矩器加电方向)(HBSsgncM计算各轴上磁力矩器按照加电方向工作产生控制力矩Tmi，磁力矩器异常产生控制力矩为零计算各轴上磁力矩器控制力矩Tmi在ΔH上投影大小ΔTmiΔTmi最大的2轴的磁力矩器工作，该轴控制指令为Mci,其他轴不工作,控制指令为0。||||arccoscosmimimimiTTHTHT|ΔH|0.001磁力矩器三轴控制指令为零本体系磁场强度是否B和ΔH夹角大于45º且小于135º是否三轴控制指令为0iH1kHi1kHi2kHi2kHiih反作用轮卸载6.5地面试验验证方案①数学仿真试验；②星载控制器闭环试验；③半物理仿真试验。（1）数学仿真试验①分系统方案正确性；②各种定姿和控制算法是否满足指标要求；③故障及排除故障的对策模拟研究；④敏感器和执行机构数学模型正确性；⑤在不同工作模式单机协同工作的匹配性，模式切换正确性和合理性；⑥找出设计缺陷，为后续工作提出优化方案。（2）星载控制器闭环试验①验证星载计算机运算处理能力；②与数学仿真结果比对，优化控制器参数；③找出设计缺陷，为后续工作提出优化方案。（3）半物理仿真试验①姿轨控分系统方案正确性；②验证单机闭环后算法和姿轨控分系统各项功能和性能指标；③对单机产品进行闭路检验，考核单机接口、功能和性能指标；④对系统可能出现的故障及排除故障的对策进行模拟研究；⑤验证星载计算机数据处理能力和对姿轨控支持功能；⑥验证敏感器和执行机构数学模型正确性；⑦验证在不同工作模式下姿轨控分系统单机协同工作的匹配性；⑧进行姿轨控分系统模飞；⑨找出设计缺陷，确定技术状态。（4）单机精度测试与标定①陀螺性能测试：测量范围、测量精度、常值漂移、零偏重复性、零偏稳定性、标度因数、标度因数重复性、标度因数随温度变化、零偏随温度变化等。转台(带温控）陀螺电源供电测试计算机通讯转台控制供电通讯通讯测试计算机星模拟器上位机轨道、姿态等信息（5）单机精度测试与标定①星敏感器精度、更新率；②星敏感器软件功能等。测试计算机双轴数控高精度转台精太阳敏感器1级平台太阳模拟光源真实姿态真实姿态测量姿态测量姿态（6）单机精度测试与标定①太阳敏感器精度；②太阳敏感器视场、软件功能等。（7）单机精度测试与标定测试计算机双轴数控高精度转台红外地球敏感器安装底座地球模拟源真实姿态真实姿态测量姿态测量姿态水平移动平台位置控制①红外地球敏感器精度；②敏感器视场、软件功能等。（8）单机精度测试与标定①反作用飞轮性能测试：输出力矩、损耗力矩、摩擦力矩、力矩系数、过零特性等。测试计算机飞轮力矩测量台（高精度单轴气浮台+力矩传感器）力矩采集和监显计算机反作用飞轮飞轮力矩指令飞轮遥测（9）半物理仿真试验动力学箱故障仿真机GZ动力学仿真机DF单机接口箱DJX1模拟太敏接口箱DJX2单机接口仿真机DJF光纤网络以太网星上电缆主控计算机调试终端机星载计算机OSI控制计算机网络集线器1网络集线器2动态星模控制计算机星敏A星敏COSI动态星模地模控制计算机红外地球敏感器地球模拟器数字太模控制计算机数字太阳敏感器太阳模拟器转台控制计算机气浮台控制计算机三轴转台陀螺A陀螺B单轴飞轮力