復(fù)雜航天器先進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)

目錄
第1章緒論1
1.1國(guó)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(shù)發(fā)展現(xiàn)狀6
1.2.1模型及參數(shù)不確定性問(wèn)題7
1.2.2姿態(tài)控制測(cè)量不確定性問(wèn)題11
1.2.3航天器姿態(tài)敏感器簡(jiǎn)介13
1.3航天器姿態(tài)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀14
1.3.1被動(dòng)姿態(tài)控制14
1.3.2主動(dòng)姿態(tài)控制16
1.4復(fù)雜航天器姿態(tài)特點(diǎn)與控制難點(diǎn)17
1.4.1國(guó)內(nèi)外典型含柔性附件航天器簡(jiǎn)介17
1.4.2柔性航天器控制技術(shù)發(fā)展19
1.4.3光學(xué)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(diǎn)27
1.4.5大型桁架結(jié)構(gòu)航天器姿態(tài)控制熱點(diǎn)28
1.5本章小結(jié)29
參考文獻(xiàn)30
第2章姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)38
2.1引言38
2.2常用的坐標(biāo)系38
2.2.1慣性坐標(biāo)系38
2.2.2地心J2000慣性坐標(biāo)系OiXiYiZi38
2.2.3軌道坐標(biāo)系OoXoYoZo39
2.2.4航天器本體坐標(biāo)系ObXbYbZb40
2.2.5WGS84坐標(biāo)系OeXeYeZe40
2.2.6相機(jī)坐標(biāo)系OsXsYsZs40
2.2.7像面坐標(biāo)系OcXcYcZc40
2.3航天器姿態(tài)描述方法41
2.3.1坐標(biāo)系空間轉(zhuǎn)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(yùn)算和四元數(shù)運(yùn)算46
2.4航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程49
2.4.1方向余弦陣運(yùn)動(dòng)學(xué)方程49
2.4.2歐拉角運(yùn)動(dòng)學(xué)方程49
2.4.3四元數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程52
2.5航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)方程53
2.5.1動(dòng)量矩定理53
2.5.2單剛體航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程54
2.6復(fù)雜航天器系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)方程55
2.6.1帆板驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型55
2.6.2系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型56
2.6.3系統(tǒng)耦合振動(dòng)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(dòng)力矩60
2.7.3太陽(yáng)光壓力矩61
2.7.4地磁力矩63
2.8本章小結(jié)63
參考文獻(xiàn)64
第3章航天器姿態(tài)測(cè)量與高精度確定算法65
3.1引言65
3.2空間姿態(tài)測(cè)量原理65
3.2.1經(jīng)典Wahba問(wèn)題65
3.2.2雙矢量定姿TRIAD法66
3.2.3慣性姿態(tài)測(cè)量和計(jì)算67
3.3常用姿態(tài)敏感器及其數(shù)學(xué)模型68
3.3.1星敏感器68
3.3.2陀螺73
3.3.3太陽(yáng)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(cè)量法88
3.4.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)法88
3.5卡爾曼濾波在航天器姿態(tài)確定中的應(yīng)用89
3.5.1卡爾曼濾波技術(shù)簡(jiǎn)述89
3.5.2EKF在航天器姿態(tài)確定中的應(yīng)用90
3.6快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)航天器姿態(tài)確定方法97
3.6.1基于魯棒擴(kuò)展卡爾曼濾波的姿態(tài)確定算法研究97
3.6.2基于強(qiáng)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(dòng)情況107
3.7.2寬頻測(cè)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(cè)量及指向基準(zhǔn)在軌辨識(shí)114
3.8.1安裝誤差相關(guān)定義114
3.8.2星敏感器間安裝誤差估計(jì)115
3.8.3星敏感器與載荷間安裝誤差估計(jì)117
3.9本章小結(jié)118
參考文獻(xiàn)119
第4章敏捷航天器姿態(tài)控制與角動(dòng)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(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)策略122
4.3基于路徑規(guī)劃的姿態(tài)敏捷機(jī)動(dòng)控制123
4.3.1時(shí)間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃123
4.3.2準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃124
4.3.3平緩加減速姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃126
4.3.4姿態(tài)機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)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(shè)計(jì)136
4.4.3變偏差角上限遞階飽和控制器設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)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(jī)構(gòu)角動(dòng)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(jié)146
參考文獻(xiàn)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(dòng)力學(xué)建模149
5.2.1彈性變形運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)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(dòng)力學(xué)的基本力學(xué)原理150
5.2.4建立柔性航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型151
5.3柔性振動(dòng)抑制方法概述156
5.3.1柔性機(jī)構(gòu)的被動(dòng)振動(dòng)控制157
5.3.2柔性機(jī)構(gòu)的主動(dòng)振動(dòng)控制158
5.3.3柔性機(jī)構(gòu)的主動(dòng)、被動(dòng)一體化振動(dòng)控制159
5.3.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)振動(dòng)控制作動(dòng)器159
5.3.5振動(dòng)主動(dòng)控制器設(shè)計(jì)163
5.3.6成型器設(shè)計(jì)165
5.4柔性航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制方法簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)控制177
5.4.5仿真算例183
5.5考慮模型不確定性的動(dòng)態(tài)滑模姿態(tài)控制185
5.5.1基于動(dòng)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(jié)果分析188
5.6本章小結(jié)192
參考文獻(xiàn)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(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃原理194
6.2.1三角形角速度姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑194
6.2.2梯形角速度姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑196
6.2.3二次多項(xiàng)式角速度姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑197
6.2.4三次多項(xiàng)式角速度姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑199
6.2.5正弦角加速度姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑200
6.2.6仿真與驗(yàn)證201
6.3變系數(shù)PD快速穩(wěn)定姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)204
6.3.1基于指數(shù)形式的變系數(shù)PD控制器設(shè)計(jì)205
6.3.2基于冪次形式的變系數(shù)PD控制器設(shè)計(jì)206
6.4數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證結(jié)果與分析207
6.4.1標(biāo)稱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情況209
6.4.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存在偏差的情況212
6.5在軌試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與分析216
6.6本章小結(jié)216
參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)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(jié)224
7.4輸入成型應(yīng)用于大柔性結(jié)構(gòu)航天器的三軸姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制驗(yàn)證225
7.4.1多模ZV輸入成型器設(shè)計(jì)225
7.4.2輸入成型器調(diào)制后的導(dǎo)引姿態(tài)路徑226
7.4.3姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制仿真結(jié)果與分析227
7.5輸入成型應(yīng)用于柔性帆板驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)抑制驗(yàn)證229
7.5.1地面驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)組成229
7.5.2地面驗(yàn)證試驗(yàn)內(nèi)容230
7.5.3試驗(yàn)結(jié)果與分析231
7.6本章小結(jié)234
參考文獻(xiàn)236
第8章奇異攝動(dòng)理論在高精度柔性航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用237
8.1引言237
8.2奇異攝動(dòng)理論簡(jiǎn)介237
8.2.1奇異攝動(dòng)理論的提出237
8.2.2標(biāo)準(zhǔn)奇異攝動(dòng)模型237
8.2.3奇異攝動(dòng)理論的發(fā)展與應(yīng)用238
8.3基于奇異攝動(dòng)理論的柔性航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)239
8.3.1柔性航天器的奇異攝動(dòng)分解239
8.3.2基于PID和LQR的復(fù)合控制器設(shè)計(jì)241
8.3.3基于滑模變結(jié)構(gòu)控制和LQR的復(fù)合控制器設(shè)計(jì)243
8.4仿真算例247
8.5本章小結(jié)253
參考文獻(xiàn)254
第9章航天器快速機(jī)動(dòng)的先進(jìn)控制方法255
9.1引言255
9.2快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃255
9.2.1姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃簡(jiǎn)介255
9.2.2拋物線形加速度曲線機(jī)動(dòng)路徑設(shè)計(jì)思路256
9.3快速機(jī)動(dòng)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(jié)構(gòu)姿態(tài)控制I261
9.3.3變結(jié)構(gòu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制Ⅱ264
9.3.4自抗擾姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制264
9.4快速機(jī)動(dòng)的智能控制268
9.4.1模糊控制268
9.4.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制271
9.4.3自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制277
9.5本章小結(jié)281
參考文獻(xiàn)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(wèn)題283
10.1.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性的控制問(wèn)題283
10.1.3測(cè)量不確定性的狀態(tài)觀測(cè)與控制問(wèn)題284
10.2基本假設(shè)與相關(guān)引理285
10.2.1有限時(shí)間穩(wěn)定定義與引理285
10.2.2預(yù)設(shè)性能控制定義與引理285
10.2.3柔性自適應(yīng)控制基本假設(shè)與引理286
10.3基于有限時(shí)間的自適應(yīng)姿態(tài)跟蹤控制律287
10.4基于預(yù)設(shè)性能的狀態(tài)約束有限時(shí)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(yīng)魯棒控制律296
10.7轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性模型自適應(yīng)數(shù)值仿真分析299
10.8基于狀態(tài)反饋的無(wú)角速度信息姿態(tài)控制律303
10.9基于觀測(cè)器的無(wú)角速度信息姿態(tài)控制律307
10.10測(cè)量不確定性姿態(tài)控制數(shù)值仿真分析310
10.11本章小結(jié)314
參考文獻(xiàn)316
第11章航天器變參數(shù)控制器設(shè)計(jì)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(chǔ)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(biāo)333
11.4線性變參數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)334
11.4.1變參數(shù)魯棒變?cè)鲆婵刂品椒?34
11.4.2輸入受限LPV系統(tǒng)魯棒變?cè)鲆婵刂?41
11.5仿真算例346
11.6本章小結(jié)354
參考文獻(xiàn)355
第12章光學(xué)遙感航天器像移補(bǔ)償與在軌自主路徑規(guī)劃356
12.1引言356
12.2典型的光學(xué)遙感成像模式356
12.3TDICCD成像原理及像移補(bǔ)償原理357
12.3.1TDICCD相機(jī)的工作原理358
12.3.2TDI相機(jī)的像移速度矢量模型358
12.3.3TDI相機(jī)的像移補(bǔ)償方法362
12.3.4像移補(bǔ)償對(duì)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(biāo)的導(dǎo)引姿態(tài)計(jì)算365
12.4.2航天器飛抵目標(biāo)時(shí)的升交點(diǎn)幅角及垂直角距計(jì)算367
12.4.3線陣相機(jī)側(cè)擺時(shí)的地面幅寬角計(jì)算368
12.4.4地表區(qū)域目標(biāo)的條帶劃分算法369
12.4.5確定TDI相機(jī)在哪軌對(duì)目標(biāo)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(yàn)證374
12.6本章小結(jié)377
參考文獻(xiàn)378