復雜航天器先進姿態(tài)控制技術

目錄
第1章緒論1
1.1國外空間遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀1
1.2航天器姿態(tài)確定技術發(fā)展現(xiàn)狀6
1.2.1模型及參數(shù)不確定性問題7
1.2.2姿態(tài)控制測量不確定性問題11
1.2.3航天器姿態(tài)敏感器簡介13
1.3航天器姿態(tài)控制技術發(fā)展現(xiàn)狀14
1.3.1被動姿態(tài)控制14
1.3.2主動姿態(tài)控制16
1.4復雜航天器姿態(tài)特點與控制難點17
1.4.1國內外典型含柔性附件航天器簡介17
1.4.2柔性航天器控制技術發(fā)展19
1.4.3光學遙感衛(wèi)星成像控制研究22
1.4.4高精度遙感衛(wèi)星姿態(tài)控制難點27
1.4.5大型桁架結構航天器姿態(tài)控制熱點28
1.5本章小結29
參考文獻30
第2章姿態(tài)運動學和動力學38
2.1引言38
2.2常用的坐標系38
2.2.1慣性坐標系38
2.2.2地心J2000慣性坐標系OiXiYiZi38
2.2.3軌道坐標系OoXoYoZo39
2.2.4航天器本體坐標系ObXbYbZb40
2.2.5WGS84坐標系OeXeYeZe40
2.2.6相機坐標系OsXsYsZs40
2.2.7像面坐標系OcXcYcZc40
2.3航天器姿態(tài)描述方法41
2.3.1坐標系空間轉換與方向余弦陣41
2.3.2歐拉定理和歐拉四元數(shù)44
2.3.3矢量運算和四元數(shù)運算46
2.4航天器姿態(tài)運動學方程49
2.4.1方向余弦陣運動學方程49
2.4.2歐拉角運動學方程49
2.4.3四元數(shù)運動學方程52
2.5航天器姿態(tài)動力學基礎方程53
2.5.1動量矩定理53
2.5.2單剛體航天器的姿態(tài)動力學方程54
2.6復雜航天器系統(tǒng)耦合動力學方程55
2.6.1帆板驅動電機動力學模型55
2.6.2系統(tǒng)耦合動力學模型56
2.6.3系統(tǒng)耦合振動頻率和阻尼比分析58
2.7空間環(huán)境干擾力矩59
2.7.1引力梯度力矩59
2.7.2氣動力矩60
2.7.3太陽光壓力矩61
2.7.4地磁力矩63
2.8本章小結63
參考文獻64
第3章航天器姿態(tài)測量與高精度確定算法65
3.1引言65
3.2空間姿態(tài)測量原理65
3.2.1經(jīng)典Wahba問題65
3.2.2雙矢量定姿TRIAD法66
3.2.3慣性姿態(tài)測量和計算67
3.3常用姿態(tài)敏感器及其數(shù)學模型68
3.3.1星敏感器68
3.3.2陀螺73
3.3.3太陽敏感器79
3.3.4磁流體角位移傳感器84
3.4傳統(tǒng)姿態(tài)確定方法86
3.4.1參考矢量法86
3.4.2慣性測量法88
3.4.3統(tǒng)計估計法88
3.5卡爾曼濾波在航天器姿態(tài)確定中的應用89
3.5.1卡爾曼濾波技術簡述89
3.5.2EKF在航天器姿態(tài)確定中的應用90
3.6快速姿態(tài)機動航天器姿態(tài)確定方法97
3.6.1基于魯棒擴展卡爾曼濾波的姿態(tài)確定算法研究97
3.6.2基于強跟蹤濾波的姿態(tài)確定算法研究102
3.7基于磁流體角位移傳感器的寬頻姿態(tài)確定106
3.7.1航天器在軌振動情況107
3.7.2寬頻測量敏感器特性109
3.7.3寬頻姿態(tài)角信息融合方法110
3.8航天器姿態(tài)測量及指向基準在軌辨識114
3.8.1安裝誤差相關定義114
3.8.2星敏感器間安裝誤差估計115
3.8.3星敏感器與載荷間安裝誤差估計117
3.9本章小結118
參考文獻119
第4章敏捷航天器姿態(tài)控制與角動量管理120
4.1引言120
4.2繞空間歐拉軸的任意角度姿態(tài)機動策略121
4.2.1空間歐拉軸的確定121
4.2.2空間任意角度姿態(tài)機動策略122
4.3基于路徑規(guī)劃的姿態(tài)敏捷機動控制123
4.3.1時間最優(yōu)姿態(tài)機動路徑規(guī)劃123
4.3.2準時間最優(yōu)姿態(tài)機動路徑規(guī)劃124
4.3.3平緩加減速姿態(tài)機動路徑規(guī)劃126
4.3.4姿態(tài)機動路徑跟蹤控制127
4.3.5仿真算例127
4.4遞階飽和姿態(tài)敏捷機動控制134
4.4.1遞階飽和算法基本原理135
4.4.2固定偏差角上限遞階飽和控制器設計136
4.4.3變偏差角上限遞階飽和控制器設計137
4.4.4仿真算例138
4.5控制力矩陀螺群及其操縱律140
4.5.1控制力矩陀螺工作原理140
4.5.2配置控制力矩陀螺群的航天器動力學模型140
4.5.3控制力矩陀螺群奇異回避操縱律141
4.5.4控制力矩陀螺群奇異逃離操縱律143
4.6執(zhí)行機構角動量管理145
4.6.1磁力矩器工作原理145
4.6.2磁卸載控制145
4.7本章小結146
參考文獻147
第5章柔性航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)148
5.1引言148
5.2柔性航天器的姿態(tài)動力學建模149
5.2.1彈性變形運動的數(shù)學描述149
5.2.2變形體的離散化方法150
5.2.3柔性航天器動力學的基本力學原理150
5.2.4建立柔性航天器的姿態(tài)動力學模型151
5.3柔性振動抑制方法概述156
5.3.1柔性機構的被動振動控制157
5.3.2柔性機構的主動振動控制158
5.3.3柔性機構的主動、被動一體化振動控制159
5.3.4結構主動振動控制作動器159
5.3.5振動主動控制器設計163
5.3.6成型器設計165
5.4柔性航天器姿態(tài)機動控制方法簡介173
5.4.1古典控制方法173
5.4.2現(xiàn)代控制方法173
5.4.3柔性航天器姿態(tài)PD控制175
5.4.4柔性航天器姿態(tài)變結構控制177
5.4.5仿真算例183
5.5考慮模型不確定性的動態(tài)滑模姿態(tài)控制185
5.5.1基于動態(tài)滑模的姿態(tài)鎮(zhèn)定控制律185
5.5.2數(shù)值仿真與結果分析188
5.6本章小結192
參考文獻193
第6章基于路徑規(guī)劃和變系數(shù)PD的航天器快速姿態(tài)控制194
6.1引言194
6.2姿態(tài)機動路徑規(guī)劃原理194
6.2.1三角形角速度姿態(tài)機動路徑194
6.2.2梯形角速度姿態(tài)機動路徑196
6.2.3二次多項式角速度姿態(tài)機動路徑197
6.2.4三次多項式角速度姿態(tài)機動路徑199
6.2.5正弦角加速度姿態(tài)機動路徑200
6.2.6仿真與驗證201
6.3變系數(shù)PD快速穩(wěn)定姿態(tài)控制器設計204
6.3.1基于指數(shù)形式的變系數(shù)PD控制器設計205
6.3.2基于冪次形式的變系數(shù)PD控制器設計206
6.4數(shù)學仿真驗證結果與分析207
6.4.1標稱轉動慣量的情況209
6.4.2轉動慣量存在偏差的情況212
6.5在軌試驗驗證結果與分析216
6.6本章小結216
參考文獻219
第7章基于輸入成型的柔性航天器控制220
7.1引言220
7.2輸入成型器抑振的基本原理及其設計220
7.3典型輸入成型器的魯棒性分析223
7.3.1ZV成型器的魯棒性分析223
7.3.2ZVD成型器的魯棒性分析223
7.3.3魯棒性分析小結224
7.4輸入成型應用于大柔性結構航天器的三軸姿態(tài)機動控制驗證225
7.4.1多模ZV輸入成型器設計225
7.4.2輸入成型器調制后的導引姿態(tài)路徑226
7.4.3姿態(tài)機動控制仿真結果與分析227
7.5輸入成型應用于柔性帆板驅動過程中的振動抑制驗證229
7.5.1地面驗證試驗系統(tǒng)組成229
7.5.2地面驗證試驗內容230
7.5.3試驗結果與分析231
7.6本章小結234
參考文獻236
第8章奇異攝動理論在高精度柔性航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中的應用237
8.1引言237
8.2奇異攝動理論簡介237
8.2.1奇異攝動理論的提出237
8.2.2標準奇異攝動模型237
8.2.3奇異攝動理論的發(fā)展與應用238
8.3基于奇異攝動理論的柔性航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設計239
8.3.1柔性航天器的奇異攝動分解239
8.3.2基于PID和LQR的復合控制器設計241
8.3.3基于滑模變結構控制和LQR的復合控制器設計243
8.4仿真算例247
8.5本章小結253
參考文獻254
第9章航天器快速機動的先進控制方法255
9.1引言255
9.2快速姿態(tài)機動路徑規(guī)劃255
9.2.1姿態(tài)機動路徑規(guī)劃簡介255
9.2.2拋物線形加速度曲線機動路徑設計思路256
9.3快速機動的傳統(tǒng)非線性控制257
9.3.1基于Lyapunov函數(shù)的非線性控制258
9.3.2變結構姿態(tài)控制I261
9.3.3變結構姿態(tài)機動控制Ⅱ264
9.3.4自抗擾姿態(tài)機動控制264
9.4快速機動的智能控制268
9.4.1模糊控制268
9.4.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制271
9.4.3自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制277
9.5本章小結281
參考文獻282
第10章不確定性航天器模型的快速姿態(tài)跟蹤與控制283
10.1引言283
10.1.1不確定性航天器模型的快速姿態(tài)控制問題283
10.1.2轉動慣量不確定性的控制問題283
10.1.3測量不確定性的狀態(tài)觀測與控制問題284
10.2基本假設與相關引理285
10.2.1有限時間穩(wěn)定定義與引理285
10.2.2預設性能控制定義與引理285
10.2.3柔性自適應控制基本假設與引理286
10.3基于有限時間的自適應姿態(tài)跟蹤控制律287
10.4基于預設性能的狀態(tài)約束有限時間跟蹤控制292
10.5不確定性模型快速跟蹤控制數(shù)值仿真分析293
10.6基于反步法的自適應魯棒控制律296
10.7轉動慣量不確定性模型自適應數(shù)值仿真分析299
10.8基于狀態(tài)反饋的無角速度信息姿態(tài)控制律303
10.9基于觀測器的無角速度信息姿態(tài)控制律307
10.10測量不確定性姿態(tài)控制數(shù)值仿真分析310
10.11本章小結314
參考文獻316
第11章航天器變參數(shù)控制器設計方法317
11.1引言317
11.2線性變參數(shù)系統(tǒng)建模318
11.2.1線性變參數(shù)系統(tǒng)理論基礎318
11.2.2線性變參數(shù)系統(tǒng)建模方法320
11.2.3基于HOSVD的LPV系統(tǒng)多胞分解322
11.2.4模型降階323
11.3線性變參數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析330
11.3.1線性矩陣不等式330
11.3.2線性變參數(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性332
11.3.3線性變參數(shù)系統(tǒng)的性能指標333
11.4線性變參數(shù)控制系統(tǒng)設計334
11.4.1變參數(shù)魯棒變增益控制方法334
11.4.2輸入受限LPV系統(tǒng)魯棒變增益控制341
11.5仿真算例346
11.6本章小結354
參考文獻355
第12章光學遙感航天器像移補償與在軌自主路徑規(guī)劃356
12.1引言356
12.2典型的光學遙感成像模式356
12.3TDICCD成像原理及像移補償原理357
12.3.1TDICCD相機的工作原理358
12.3.2TDI相機的像移速度矢量模型358
12.3.3TDI相機的像移補償方法362
12.3.4像移補償對姿態(tài)控制的要求363
12.4航天器在軌自主成像姿態(tài)路徑規(guī)劃365
12.4.1航天器指向目標的導引姿態(tài)計算365
12.4.2航天器飛抵目標時的升交點幅角及垂直角距計算367
12.4.3線陣相機側擺時的地面幅寬角計算368
12.4.4地表區(qū)域目標的條帶劃分算法369
12.4.5確定TDI相機在哪軌對目標成像371
12.4.6多條帶拼接的姿態(tài)路徑規(guī)劃方法372
12.4.7折線掃描的姿態(tài)路徑規(guī)劃方法373
12.5路徑規(guī)劃與控制仿真驗證374
12.6本章小結377
參考文獻378