近年來,隨著載荷分辨率水平及模式能力要求的不斷提升,對衛(wèi)星的姿態(tài)指向精度、姿態(tài)指向穩(wěn)定度以及姿態(tài)機動過程中的穩(wěn)定跟隨能力提出了新的要求。本書正是在這樣的背景下編寫的。它不僅深入探討了一種新型“浮體式衛(wèi)星”的概念和原理,而且提出了一種全新的敏捷控制設計方法,突破了傳統(tǒng)衛(wèi)星控制的局限性,使得衛(wèi)星在敏捷動中成像研究領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更精準的任務執(zhí)行。
全書共分為6章,前三章主要介紹浮體式衛(wèi)星的總體概念及其敏捷控制理論,后三章介紹浮體式衛(wèi)星敏捷控制相關(guān)的單機以及仿真和試驗系統(tǒng)研究情況。本書中大部分內(nèi)容是作者近年來研究的新成果,既有理論研究結(jié)果,又結(jié)合工程試驗驗證情況,可供廣大航天科技工作者參考。
本書可供高等院校宇航學科高年級本科生、研究生以及航天工作者,特別是從事衛(wèi)星、航天器控制的科研人員和技術(shù)人員參考使用。
第1章 緒論 1
1.1 高分敏捷衛(wèi)星發(fā)展概述3
1.2 浮體式衛(wèi)星發(fā)展概述7
1.3 衛(wèi)星姿態(tài)控制發(fā)展概述11
1.4 基于浮體式平臺的超敏捷動中成像概念13
1.4.1 浮體式衛(wèi)星平臺內(nèi)涵13
1.4.2 超敏捷動中成像概念15
1.5 本書內(nèi)容安排16
參考文獻17
第2章 浮體式衛(wèi)星動力學模型 20
2.1 參考坐標系和坐標轉(zhuǎn)換21
2.1.1 參考坐標系21
2.1.2 坐標系轉(zhuǎn)換22
2.2 姿態(tài)運動學模型26
2.3 姿態(tài)動力學模型28
2.3.1 變量定義28
2.3.2 速度、動量、角動量及動能的矢量描述28
2.3.3 動力學模型的矢量描述31
2.3.4 姿態(tài)動力學模型的矩陣描述33
2.3.5 撓性帆板的模態(tài)方程35
2.3.6 撓性動力學模型36
2.4 剛性衛(wèi)星的姿態(tài)動力學模型36
2.5 環(huán)境干擾力矩建模及擬合37
2.5.1 重力梯度力矩37
2.5.2 太陽光壓力矩38
2.5.3 氣動力矩42
2.5.4 剩磁干擾力矩42
2.5.5 環(huán)境干擾力矩的簡化43
2.6 不同工作模式下衛(wèi)星的動力學模型45
2.6.1 分離后穩(wěn)定模式45
2.6.2 鎖緊機動模式46
參考文獻48
第3章 浮體式衛(wèi)星敏捷控制方法 49
3.1 姿態(tài)敏捷機動路徑設計50
3.1.1 三角形角速度50
3.1.2 梯形角速度53
3.1.3 二次多項式角速度55
3.1.4 三次多項式角速度57
3.1.5 正弦角速度58
3.1.6 各類型角速度曲線性能對比60
3.2 載荷艙高精度控制方法61
3.2.1 魯棒模型匹配方法簡介62
3.2.2 魯棒模型匹配方法基礎(chǔ)概念62
3.2.3 姿態(tài)控制干擾補償器設計63
3.2.4 干擾補償器與PID控制器比較分析64
3.2.5 濾波參數(shù)及PD參數(shù)對某單通道影響分析65
3.2.6 參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響分析66
3.3 平臺艙高動態(tài)控制方法68
3.3.1 高動態(tài)活動部件干擾源建模與分析69
3.3.2 結(jié)構(gòu)濾波器設計方法73
3.3.3 陷阱濾波器設計方法73
3.3.4 高動態(tài)活動部件干擾補償技術(shù)路線研究76
3.4 兩艙協(xié)同解耦控制方法85
3.4.1 兩艙碰撞規(guī)避控制方法85
3.4.2 線纜干擾補償控制方法97
3.5 敏捷動中成像多應用模式分析103
參考文獻106
第4章 浮體式衛(wèi)星敏捷控制系統(tǒng)關(guān)鍵單機設計 108
4.1 高精度高帶寬非接觸磁浮機構(gòu)110
4.1.1 磁路綜合優(yōu)化設計與仿真分析110
4.1.2 二維精密激勵線圈最優(yōu)拓撲設計與仿真分析115
4.1.3 小體積低噪聲精密功率放大器方案117
4.1.4 高帶寬非接觸磁浮機構(gòu)方案119
4.2 大力矩快響應磁懸浮控制力矩陀螺121
4.2.1 總體結(jié)構(gòu)方案設計122
4.2.2 高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設計124
4.2.3 鎖緊機構(gòu)設計130
4.2.4 高動態(tài)框架高精度伺服控制系統(tǒng)設計131
4.2.5 高速直流無刷電機系統(tǒng)設計134
4.3 高精度高動態(tài)姿態(tài)測量系統(tǒng)137
4.3.1 光纖陀螺測量模型138
4.3.2 星敏感器測量模型139
4.3.3 衛(wèi)星姿態(tài)測量確定140
4.4 非接觸兩艙相對測量系統(tǒng)142
4.4.1 激光式位移傳感器142
4.4.2 電渦流位移傳感器143
4.4.3 非接觸艙間相對位姿解算145
參考文獻149
第5章 浮體式衛(wèi)星敏捷控制半物理仿真系統(tǒng) 151
5.1 地面半物理仿真系統(tǒng)152
5.1.1 試驗方案設計原則152
5.1.2 試驗方案選擇152
5.2 敏捷控制半物理仿真系統(tǒng)構(gòu)建157
5.2.1 系統(tǒng)功能157
5.2.2 基本原理158
5.2.3 五自由度氣浮平臺臺體158
5.2.4 壓力空氣供應系統(tǒng)設計160
5.2.5 軟件設計160
5.3 其他分系統(tǒng)167
5.3.1 氣浮平臺控制系統(tǒng)167
5.3.2 安全輔助子系統(tǒng)168
5.3.3 電氣系統(tǒng)設計169
5.3.4 綜合信息采集、傳輸、處理子系統(tǒng)169
參考文獻170
第6章 浮體式衛(wèi)星敏捷控制地面驗證 171
6.1 敏捷控制數(shù)值仿真172
6.2 敏捷控制半物理仿真172
6.3 敏捷控制虛擬樣機仿真174
6.3.1 虛擬樣機建模175
6.3.2 虛擬樣機仿真試驗177
6.4 本章小結(jié)180
參考文獻181
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