航天器姿态动力学与控制——李立涛

航天器姿态动力学与控制讲授教师：李立涛学科专业：飞行器设计绪论航天器无人航天器载人航天器人造地球卫星空间探测器科学卫星技术试验卫星月球探测器行星和行星际探测器应用卫星载人飞船航天飞机空间站卫星式载人飞船登月载人飞船绪论单自旋稳定航天器双自旋稳定航天器风云二号卫星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)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绪论日本技术实验卫星7号(ETSVII)对日定向模式对地定向工作对日-对地定向姿态机动对地-对日定向姿态机动太阳光方向对地观测卫星的姿态机动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绪论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章节安排参考书目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绪论第1章航天器姿态运动学航天器常用坐标系黄道、赤道、春分点航天器常用坐标系izeO赤道面ix春分点方向iyr飞行器地心赤道惯性坐标系ezeO赤道面exeyr航天器Greenwich子午面航天器常用坐标系地心赤道旋转坐标系航天器常用坐标系轨道坐标系和星体坐标系的示意图0ωozoyoxbzbxby地球姿态参数-欧拉角azayaxObybxOazayaxOazbybzbxayaxay基元旋转矩阵姿态参数-欧拉角OaZ1ZbZ2ZaX12XXbXaY1Y2YbY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1313213311323tgcostgCCCCCbazxzCCSCSCSSCCSSCCCCSCCCSSSCCCCSSSSCC姿态参数-欧拉角O1aZZ1ZbZ2ZaX12XXbXaY1Y2bYYzxy旋转顺序2.方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系bayxzCCSSSCSSSCCSCCCCCSCCSSCSCSSSSCCCC1212212311333tansintanCCCCC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1121111312333tansintanCCCCC姿态参数-欧拉角,,zyxxyzCCCSSCCCCCSSSCCCSSSSCSSCSCSSCSSCCT3222cos1cossincos1cos1cossin1cossin1cossincos1cos1cossin1cossin1cossincos1cosbaxxyzxzyxyzyyzxxzyyzxzCEeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee姿态参数–欧拉轴/角姿态参数–欧拉轴/角欧拉轴/角坐标变换示意图eab'uuvayaxbxbyazbzezxy姿态参数–欧拉轴/角姿态参数–欧拉参数(姿态四元数)2TT03022220123123013202222123001232310222213202310012322222222baCqqqEqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq欧拉参数与方向余弦矩阵的关系0112233123320231130312210112141414qCCCqCCqqCCqqCCq1112233212211313311023321112141414qCCCqCCqqCCqqCCq2112233323322031132112212112141414qCCCqCCqqCCqqCCq3112233012213113313223323112141414qCCCqCCqqCCqqCCq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刚体模型尖兵一号甲美国XSS-10卫星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基本方程实践一号甲东方红二号第2章航天器姿态动力学基本方程双自旋准刚体模型bxbybz,RPzzPyRyRxPxPORO双自旋陀螺体模型第2章航天器姿态动力学基本方程多刚体模型美国QuickBird卫星刚体-挠性体混合系统风云一号第2章航天器姿态动力学基本方程刚体-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基本方程日本Jers-2卫星第2章航天器姿态动力学基本方程刚体-挠性体-液体的混合系统日本ETSVII卫星第2章航天器姿态动力学基本方程多刚体-挠性体-液体的混合系统日本ETSVIII卫星第2章航天器姿态动力学基本方程刚体-挠性体-液体的混合系统大型挠性体系统第2章航天器姿态动力学基本方程大型挠性空间结构(太阳帆)第2章航天器姿态动力学基本方程xyz0y0x0zO0OnOnznxny0rnr0BnB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3章空间环境力矩美国子午导航卫星(重力梯度卫星)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)第3章空间环境力矩反射类型第3章空间环境力矩AnτdA太阳光s第3章空间环境力矩dAAnRVvC第3章空间环境力矩大气密度分布图第3章空间环境力矩第3章空间环境力矩当地磁测坐标系的示意图eOexezmxmymzO第3章空间环境力矩航天器环境力矩相对幅值第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学第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第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学美国”LunarProspector”月球探测器第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学美国Clementine月球探测器第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学国际通信卫星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风云二号气象卫星第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学自旋体的本体锥第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学b扁粗体航天器的空间锥和本体锥第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学b细长体航天器的空间锥和本体锥第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学xyz自旋航天器在惯性空间的运动第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)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2222222222222222(/)(/)(/)(/)[()()]yzxxxyzxxxxzxyyzyyyzxyxzyyxxzxyyzyxyxxyyzxxyzzzzxzxxyzyyIIMTIIIIIIIIMIITIIIIIIIIIIIIMTIIIIIIIII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第4章自旋、双自旋航天器姿态动力学DRObxbybzyxbOz带有管球型章动阻尼器的自旋卫星第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SxSySz,RPzzPyRyRxPxPORO第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学xzIIxzII(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第5章重力梯度稳定航天器姿态动力学13zKyxzIIIxzyIIIyzxxIIKIyxzzIIKI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第6章三轴姿态稳定航天器姿态动力学第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第7章航天器姿态确定基础第7章航天器姿态确定基础Obibjbks坐标系绕单参考矢量的转动第7章航天器姿态确定基础wuv*u*v*w3e12双矢量定姿中观测矢量存在误差的情况第7章航天器姿态确定基础平台惯导的稳定平台第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定自旋轴的赤经、赤纬第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定coscoscossinsincoscoscoscossinsincosabcbcAABCBCa余弦定理:正弦定理:sinsinsinsinsinsinabcABC球面三角公式第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)tansintanbaB1.已知一直角边及其邻角，求该角对应的直角边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A1S2S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ESE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第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定eR2COhR航天器地心星体对地球的视角半径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真自旋轴伪自旋轴SESESESESEAC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SEC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第8章自旋、双自旋稳定航天器的姿态确定SESE'SE用转动角确定姿态唯一解的示意图第9章三轴稳定航天器的姿态确定第9章三轴稳定航天器的姿态确定光电池n太阳光0cosII余弦检测器的工作原理第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太阳光线和狭缝组成的平面太阳方向