航天器控制原理

航天器控制原理自測試題一一、名詞解釋（15％）1、姿態(tài)運動學2、慣性輪3、姿態(tài)機動控制4、空間導航5、空間站的姿態(tài)控制二、簡答題（60％）1、航天器按載人與否是如何分類的？各類航天器的作用和特點是什么？請舉出你所知的各類航天器的國內(nèi)外的例子。2、開普勒三大定律是什么？牛頓三大定律是什么？3、分析描述航天器姿態(tài)運動常用的參考坐標系之間的相對關系。4、畫出航天器控制系統(tǒng)結(jié)構圖并敘述其原理。5、液體環(huán)阻尼器有什么特點，適用于什么場合？6、寫出衛(wèi)星姿態(tài)自由轉(zhuǎn)動的歐拉動力學方程。7、主動姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)包括哪幾種方式？8、推力器的工作時間為什么不能過??？9、簡述導航與制導系統(tǒng)的功能，及其為實現(xiàn)此功能而必須完成的工作。10、 載人飛船在結(jié)構上較一般衛(wèi)星有什么特點？三、推導題（15％）1、 利用牛頓萬有引力定律推導、分析航天器受N體引力時的運動方程，并闡述簡化為二體相對運動的合理性。8%2、 推導Oxyz和OXYZ兩坐標系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設下予以線性化。7%四、計算題（10％）已知一自旋衛(wèi)星動量矩H=2500Kg?m2/s,自旋角速度為W=60r/min,噴氣力矩Mc=20N?m,噴氣角為Y=45。，要求自旋進動0c=90。。問噴氣一次自旋進動多少？總共需要多少次和多長時間才能完成進動？航天器控制原理自測試題一答案詞解釋（15％）態(tài)運動學天器的姿態(tài)運動學是從幾何學的觀點來研究航天器的運動,它只討論航天器運動的幾何性質(zhì),不涉及產(chǎn)生運動和改變運動的性輪j飛輪的支承與航天器固連時，飛輪動量矩方向相對于航天器本體坐標系Oxyz不變，但飛輪的轉(zhuǎn)速可以變化，這種工作方式的常稱為慣性輪。態(tài)機動控制態(tài)機動控制是研究航天器從一個初始姿態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個姿態(tài)的再定向過程。如果初始姿態(tài)未知，例如當航天器與運載工具分天器還處在未控狀態(tài)；或者由于受到干擾影響，航天器姿態(tài)不能預先完全確定，那么特地把這種從一個未知姿態(tài)或者未控姿到預定姿態(tài)的過程稱為姿態(tài)捕獲或?qū)?。間導航天器軌道的變化也稱為空間導航，包括軌道確定和軌道控制兩個方面，由導航與制導系統(tǒng)完成。間站的姿態(tài)控制間站姿態(tài)控制分為姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機動兩部分。姿態(tài)穩(wěn)定又分為兩種情況：第一種情況為對地球指向穩(wěn)定，主要為與地面通信有關的數(shù)據(jù)傳遞提供穩(wěn)定姿態(tài)。第二種情況，姿態(tài)控制精度由有效載荷或者在空間站進行的有關實驗提出，此種精度要求視荷和實驗研究的不同而不同。答題（60％）天器按載人與否是如何分類的？各類航天器的作用和特點是什么？請舉出你所知的各類航天器的國內(nèi)外的例子。分為無人航天器和載人航天器兩類。者，它的作用和特點是：對地球進行觀測或進行宇宙探測。者，它的作用和特點是；進行太空實驗或航天運輸。無人航天器有：東方紅一號、風云一號、風云二號、金星1號、水手2號等載人航天器有：神州五號、和平號、阿波羅號等。普勒三大定律是什么？牛頓三大定律是什么？答：開普勒三大定律是：橢圓律——每個行星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽位于橢圓的一個焦點上。面積律——由太陽到行星的失徑在相等的時間間隔內(nèi)掃過相等的面積。周期律一一行星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期T的平方與橢圓軌道的長半徑的立方成正比。大定律是：動定律——任一物體將保持其靜止或是勻速直線運動的狀態(tài)，除非有作用在物體上的力強迫其改變這種狀態(tài)。第二運動定律——動量變化速率與作用力成正比，且與作用力的方向相同。第三運動定律——對每一個作用正存在一個大小相等的反作用。析描述航天器姿態(tài)運動常用的參考坐標系之間的相對關系。（3）坐標系形式很多，每種坐標系都有其自己的特點，因此也就只適用于一定的范圍，所以根據(jù)具體情況選擇坐標系是必要的。一般來說，討論航天器姿態(tài)運動常用的坐標系，主要有4種。1．慣性坐標系OXYZ所有的運動都要參照的基本坐標系是慣性坐標系，按一般意義講，它是相對于恒星固定的坐標系。但實際情況表明，慣系僅僅是在所研究的時間間隔內(nèi)能夠滿足精度要求的基準坐標系。對于這里所考慮的絕大多數(shù)問題來講，選擇一個不會使問超出期望精度范圍的坐標系就足夠了。例如，衛(wèi)星繞地球的軌道運動就可以用地心赤道坐標系，也稱為地心慣性坐標系；又開究星際航行（如宇宙探測器）時，往往把原點O點放在太陽中心，坐標軸相對于恒星不旋轉(zhuǎn)的坐標系就是一個合適的慣性坐2．質(zhì)心平動坐標系OXYZ這是一個與慣性坐標系密切相關的坐標系。原點O位于航天器質(zhì)心，OX，OY，OZ軸分別與某一慣性坐標系的坐標軸保持平3．質(zhì)心軌道坐標系3．質(zhì)心軌道坐標系Oxyz000簡稱軌道坐標系。這是一個以航天器質(zhì)心為原點的正交坐標系，如圖3.1所示。Oxo軸沿軌道平面與當?shù)厮矫娴慕绘汕斑M方向，Oz0軸沿當?shù)卮咕€指向地心，Oyo軸垂直于軌道平面。這個坐標系在空間以角速度°0，即航天器的軌道角速丿?yo軸旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)方向與Oyo軸的方向相反。體坐標系Oxyz又稱為星體坐標系。在此坐標系中，原點0在航天器質(zhì)心，Ox,Oy,Oz三軸固定在航天器本體上。若Ox,Oy,Oz三軸為的慣量主軸，則該坐標系稱為主軸坐標系。畫出航天器控制系統(tǒng)結(jié)構圖并敘述其原理。畫出航天器控制系統(tǒng)結(jié)構圖并敘述其原理。天器控制系統(tǒng)在原理上和其他工程控制系統(tǒng)基本上是一樣的，完成三個最基本的過程：敏感測量、信號處理和執(zhí)行過程。仍敏感器、控制器和執(zhí)行機構三大部分組成。敏感器用以測量某些絕對的或相對的物理量，執(zhí)行機構起控制作用，驅(qū)動動力生控制信號所要求的運動，控制器則擔負起信號處理的任務。體環(huán)阻尼器有什么特點，適用于什么場合？體環(huán)阻尼器有二種，環(huán)面垂直于自旋軸或平行于自旋軸，前者用于早期高速自旋的衛(wèi)星上。由于一系列的因素，自旋速率不宜2此采用環(huán)面平行于自旋軸的阻尼器，提高阻尼效率。環(huán)的形狀有圓形，方形或U字形，環(huán)內(nèi)充滿或只充部分黏性液體。星體，液體在環(huán)內(nèi)周期性地來回流動，利用液體內(nèi)部的黏滯剪切力矩來耗散章動能量。液體環(huán)阻尼器沒有彈簧特性，不能儲存能此沒有諧振特性，阻尼效率較差，只能用于激勵頻率較高的場合。由于阻尼器內(nèi)部沒有機械活動部件，可靠性很高，剩余章小，這是最顯著的優(yōu)點。并且這種阻尼器的安裝部位比較靈活，只要求球面平行于自旋軸。

出衛(wèi)星姿態(tài)自由轉(zhuǎn)動的歐拉動力學方程。1星姿態(tài)自由轉(zhuǎn)動(M=0)的歐拉動力學方程即可由式(3.33)得doxdtzxdozxh+oo

dt xzdoz+oo

dt xy式中，°x，①J,°z是衛(wèi)星對空間的瞬時轉(zhuǎn)速?在本體坐標系OXyZ各軸上的分量。要分析自旋體自由運動的性質(zhì)，必拉動力學方程式(5.1)中解出星體角速率動姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)包括哪幾種方式？二動姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)由敏感器、控制器和執(zhí)行機構組成，敏感器的作用是測量星體的姿態(tài)角9叩，申或角速度?'業(yè)，可利用纟儀、太陽敏感器、各種陀螺儀等實現(xiàn)；執(zhí)行機構的作用是產(chǎn)生影響航天器姿態(tài)運動的外力矩或內(nèi)力矩；控制器綜合敏感器的息，產(chǎn)生執(zhí)行機構工作所遵循的控制規(guī)律以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與被動穩(wěn)定方案比較，主動姿態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點是可以保證更高度和快速性，缺點是結(jié)構復雜化，降低了可靠性，且增加了能源消耗，因此適用于高精度要求和大擾動力矩的情形。力器的工作時間為什么不能過?。苛ζ鞴ぷ鲿r間過短，會帶來以下三方面的困難：噴氣時間越短，脈沖越窄，推力器在技術上越難實現(xiàn)；噴氣脈沖越窄，重復性越差；噴氣脈沖越窄，每次噴氣產(chǎn)生的沖量越小，機動時間就越長。述導航與制導系統(tǒng)的功能，及其為實現(xiàn)此功能而必須完成的工作。天器導航系統(tǒng)的功能就是軌道確定。它回答以下問題：“航天器在哪里?朝什么方向飛行?飛行速度是多少?”這些都屬于航天學的幾何學性質(zhì)問題，因此需要選定一個參考坐標系以及在這個坐標系中航天器等運動物體的定位方法。對地球衛(wèi)星來說，出在地心慣性坐標系中航天器的三維位置及3個速度分量，就可以很方便地轉(zhuǎn)換成人們所熟悉的軌道六要素。航天器制導系統(tǒng)的功能是控制推力和升力的使用以達到希望的新軌道和著陸點。從廣義上講，軌道控制就是制導問題。即對按引規(guī)律運動的航天器進行控制，從而使航天器按預定軌道運動。簡單地說，就是控制航天器質(zhì)心運動的速度大小和方向，使的軌道滿足飛行任務的要求?？刂坪教炱鞯乃俣纫话悴捎孟铝锌刂屏Γ悍醋饔猛屏?、氣動力、太陽輻射壓力、磁力和其他非的力。軌道控制范圍很廣，大致包括的內(nèi)容有軌道機動、軌道保持、交會、對接、再入返回和落點控制等。人飛船在結(jié)構上較一般衛(wèi)星有什么特點？于航天員的存在，就必須考慮他們的不同活動方式及其安全，所以載人飛船飛行目的的提出和實施完全建立在另一個基礎上導題15％用牛頓萬有引力定律推導、分析航天器受N體引力時的運動方程，并闡述簡化為二體相對運動的合理性。8%解：設n個物體的位置為V…1，由牛頓萬有引力定律，可得出作用在i作用在i上的力為再由牛頓第二定律：(再由牛頓第二定律：(mv)=F

dtii 總Gmmr=一 i n(r)gnr3ninir二r-r式中niin，作用在第2個物體上的所有引力的矢量和為F=-Gm工t(r)g ir3jij=1jij知由于星體還有其它外力的作用，所以有：F=F+F總g其它干擾F=F+F+F+干擾其它阻力推力太陽壓力對時間的導數(shù)展開，得到：dvdmmi+Vi=F

idridt由是可得第i個物體的一般運動方程為：mimi..F。

r=總一rmimiimi假設只存在引力，將上式簡化為假設m2為一個繞地球運行的航天器,二hi=2的情況，可寫出具體的方程形式:r=-g工1假設m2為一個繞地球運行的航天器,二hi=2的情況，可寫出具體的方程形式:r=-g工1m一(r)

r3 j1j=2j1r=r-r再由式niin，可得：rr=-g工im1為地球，nm=-g乙亠(r)r3j2

j=1ji

j豐2=r-r12mj(r)jir3j=1jij知而余下的m3,m4, ,mn可以是月球，太陽，和其他行星，于是對1）2）于是可得：r于是可得：r21=r1-r2將（1），（2）式代入（3）式，可得：因為r=因為r=-r1221，所以：..nmnmr二g乙―(r)-g乙—21 r3 j2 r3/=1j2 j=2j1J豐2r=-G(mi+l)(r)+》Gm(rj2-rji)21 r3 21 jr3 r321 j=3 j2 j1上式即為航天器受體引力的運動方程，方程等號右邊第二項代表月球，太陽及其他行星對近地航天器的攝動影響。由于航天器和地球間的引力與航天器和其他星體的引力相比大得多，所以可以忽略其他星體的引力，也就是可以把航天器轉(zhuǎn)化為二體運動問題。導Oxyz和OXYZ兩坐標系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設下予以線性化。DOxoyozot繞Oxo(“i”)轉(zhuǎn)?角-O郵丫‘)OttE丫't繞O0'(“2”)轉(zhuǎn)9角TOa0Y)Oa0YT繞Oy(“3”)轉(zhuǎn)屮角)Oa0YT繞Oy(“3”)轉(zhuǎn)屮角TOxyz?標系Oxyz和OXoyoZo之間的坐標變換關系即為(3.10)式中(3.11)一cos申cos屮sin0+sin申sin屮

cos申sin0sin屮+sin申cos屮

cos申cos0cos0cos屮sin申一cos申cos屮sin0+sin申sin屮

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cos申sin0sin屮+sin申cos屮 cos申cos0同樣可得按照2-3-1,3-1-2,1-3-2,2-1-3,3-2-1等不同轉(zhuǎn)動順序的變換關系。當'0"血時，即在小角度變化，B可近似為-1-1屮一0B=一屮190一91（3．13）其中歐拉角0“'9分別稱為俯仰角、偏航角和滾動角，而Oz,oy,Oz軸分別稱為航天器的滾動。算題10％知一自旋衛(wèi)星動量矩H=2500Kg?m2/s,自旋角速度為w=60r/min,噴氣力矩Mc=20N?m,噴氣角為Y=45。,要求自旋進動0c噴氣一次自旋進動多少？總共需要多少次和多長時間才能完成進動？Y 45。AT=丄=―5—=0.125s解：每轉(zhuǎn)一圈的噴氣時間為， ①3600/sM20A0二cAT= -0.125二0.001。所以噴氣一次自旋進動，H 2500 ，所以噴氣一次自旋進動，9n二.二吒二90000（次）故需噴氣， A0°.°01惡 航天器控制原理自測試題二一、名詞解釋（15％）1、慣性坐標系2、反作用輪3、姿態(tài)捕獲4、 天文導航5、 空間站的軌道控制二、簡答題（60％）1、人造地球衛(wèi)星按功能分為哪幾類？闡述每一類的特點，并說出至少兩種衛(wèi)星及其相應的功能。2、簡述將N體問題簡化為二體問題的假設條件。3、基于經(jīng)典歐拉轉(zhuǎn)動，如何將航天器的空間轉(zhuǎn)動角速度在本體坐標系中用歐拉角表示。4、常用姿態(tài)敏感器有哪些？姿態(tài)敏感器怎樣分類？5、為什么自旋穩(wěn)定方式在航天器中得到了廣泛應用？6、主動姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)有哪幾部分組成？與被動穩(wěn)定系統(tǒng)相比有什么優(yōu)缺點？7、自旋穩(wěn)定衛(wèi)星為什么不能用連續(xù)噴氣方式來改變姿態(tài)?8、導航分為哪幾類，基本原理是什么？9、載人飛船的特點表現(xiàn)在哪幾方面？10、空間站系統(tǒng)有哪幾部分組成？各自的功能是什么？三、推導題15％1、推導二體運動方程。2、推導Oxyz和OXYZ兩坐標系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設下予以線性化。四、計算題10％1、已知一自旋衛(wèi)星動量矩H=2000Kg?m2/s，自旋角速度為3=50r/min，噴氣力矩Mc=20N?m,噴氣角為丫=60。，要求自旋進動0c=90。。問噴氣一次自旋進動多少？總共需要多少次和多長時間才能完成進動？航天器控制原理自測試題二答案一、名詞解釋15％1、慣性坐標系答：慣性坐標系是相對于恒星固定的坐標系。但實際情況表明，慣性坐標系僅僅是在所研究的時間間隔內(nèi)能夠滿足精度要求的基準坐標系。2、反作用輪答：慣性輪中如果飛輪的轉(zhuǎn)速可以正負改變，且平均動量矩為零，則稱為反作用輪。3、姿態(tài)捕獲答：姿態(tài)捕獲是航天器由未知姿態(tài)到已知姿態(tài)的定向過程，是另一類典型的姿態(tài)機動。姿態(tài)捕獲方式可分為三類：全自主、半自主和地面控制。4、天文導航答：天文導航系統(tǒng)是以天空的星體作為導航臺、星光作為導航信號的測角定位系統(tǒng)。星體離航天器很遙遠，這時很小的測角誤差就會產(chǎn)生很大的定位誤差。為了精確定位，除了要求高精度測角外，還要有高精度的方向基準，而且設備的價格昂貴，系統(tǒng)的工作受氣象條件限制。但是，由于星體離地面很遠，系統(tǒng)工作區(qū)域廣，可對在外層空間活動的航天器進行導航而且當航天器在大氣層之上時，導航就不再受氣象條件限制。5、空間站的軌道控制答：即對空間站的軌道保持，軌道機動，及交會對接的控制。二、簡答題60％1、人造地球衛(wèi)星按功能分為哪幾類？闡述每一類的特點，并說出至少兩種衛(wèi)星及其相應的功能。答：可分為四類：（1） 觀測站——站得高、看得遠，非常有利于觀察地球。（2）中繼站——它是用來對信息進行放大和轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星。（3）基準站——是軌道上的測量基準點，要求它的測軌非常準確。（4）軌道武器——是一種積極進攻的航天器，具有空間防御和空間攻擊的能力。地球資源衛(wèi)星：可用于地下礦藏、海洋資源和地下水資源調(diào)查；土地資源調(diào)查，土地利用，區(qū)域規(guī)劃；調(diào)查農(nóng)業(yè)林業(yè)畜牧業(yè)和水利資源合理規(guī)劃管理。通信衛(wèi)星：可用于傳輸電話、電報、電視、報紙、圖文傳真、語音廣播、數(shù)據(jù)、視頻會議等。2、 簡述將N體問題簡化為二體問題的假設條件。答：（1）物體為球?qū)ΨQ的，這樣就可以把物體看作質(zhì)量集中在其在中心。（2）除了沿兩物體中心連線作用的引力外，沒有其它外力和內(nèi)力作用。3、 基于經(jīng)典歐拉轉(zhuǎn)動，如何將航天器的空間轉(zhuǎn)動角速度在本體坐標系中用歐拉角表示。如圖所示。將角速度“沿O和°耳軸分解，貝0”，°和°在正交坐標系°切'中的分量分別為:為Wsin°,0^軸為cos°。再將（°和°耳軸分量按Ox和Oy軸分解，其結(jié)果表示如下：①二屮sin°sin°+°cos°x二屮sin°cos°-0sin°y①=°+屮cos°z或者以逆形式表示，即—@sin°+?cos°)cot°z x y<°cos°-?sin°x y屮二sin°+?cos°)csc°xy式（3．8）或（3．9）即為航天器的一組姿態(tài)運動學方程。，4、常用姿態(tài)敏感器有哪些？姿態(tài)敏感器怎樣分類？答：有太陽敏感器，紅外地平儀，星敏感器，陀螺，加速度計，磁強計和射頻敏感器。姿態(tài)敏感器按不同的基準方位，可分為下列5類。(1)以地球為基準方位：紅外地平儀，地球反照敏感器；(2)以天體為基準方位：太陽敏感器，星敏感器；以慣性空間為基準方位：陀螺，加速度計；以地面站為基準方位：射頻敏感器；其他：例如磁強計(以地磁場為基準方位)，陸標敏感器(以地貌為基準方位)。5、為什么自旋穩(wěn)定方式在航天器中得到了廣泛應用？答：自旋穩(wěn)定的原理是利用航天器繞自旋軸旋轉(zhuǎn)所獲得的陀螺定軸性，使航天器的自旋軸方向在慣性空間定向。它的主要優(yōu)點首先是為航天器獲得規(guī)則的姿態(tài)運動提供了一種簡單的手段。自旋衛(wèi)星利用非常簡單的儀器便可提供姿態(tài)信息，而且因為運載工具通常是以自旋方式人軌的，所以航天器很容易達到完全無源的慣性定向，并且有一定的精度。其次，由于自旋運動具有比較大的動量矩，因此航天器抵抗外干擾的能力很強，因為當自旋航天器受到恒定干擾力矩作用時，其自旋軸是以速度漂移，而不是以加速度漂移。加之自旋穩(wěn)定能使航天器發(fā)動機的推力偏心影響減至最小，因此自旋穩(wěn)定方式在航天器，特別是在早期發(fā)射的航天器中得到了廣泛的應用。6、主動姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)有哪幾部分組成？與被動穩(wěn)定系統(tǒng)相比有什么優(yōu)缺點？答：主動姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)由敏感器、控制器和執(zhí)行機構組成，敏感器的作用是測量星體的姿態(tài)角°M，申或角速度°川'電，可利用紅外地平儀、太陽敏感器、各種陀螺儀等實現(xiàn)；執(zhí)行機構的作用是產(chǎn)生影響航天器姿態(tài)運動的外力矩或內(nèi)力矩；控制器綜合敏感器的測量信息，產(chǎn)生執(zhí)行機構工作所遵循的控制規(guī)律以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與被動穩(wěn)定方案比較，主動姿態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點是可以保證更高的精確度和快速性，缺點是結(jié)構復雜化，降低了可靠性，且增加了能源消耗，因此適用于高精度要求和大擾動力矩的情形。7、自旋穩(wěn)定衛(wèi)星為什么不能用連續(xù)噴氣方式來改變姿態(tài)答：在衛(wèi)星自旋到某相位角的前后AT/2時間內(nèi)，推力器控制產(chǎn)生的動量矩增量劉的數(shù)值等于.foAT)

sm AH二iAT/2Mcosotdt=MAt—AT/2 c c OATAH垂直于初始動量矩0。由于噴氣時衛(wèi)星在自旋，帶動控制力矩c在空間中旋轉(zhuǎn)，動量矩從初始狀態(tài)0沿圓弧進動到H1。若噴氣推力器隨著衛(wèi)星自旋一周而采用連續(xù)噴氣，即AT二2K°，則由上式得AH=0。這表明若采用連續(xù)噴氣，則其結(jié)果是自旋動量矩不發(fā)生改變，自旋衛(wèi)星的姿態(tài)在理論上是固定不變的。實際上可能出現(xiàn)擺動，這樣不能達到自旋軸進動的目的。8、導航分為哪幾類，基本原理是什么？答：航天器導航基本上可分為兩大類：自主和非自主。非自主測軌由地面站設備，例如雷達，對航天器進行跟蹤測軌，并且在地面上進行數(shù)據(jù)處理，最后獲得軌道位置信息。相反，若航天器的位置和速度等運動參數(shù)用星上測軌儀器（或稱導航儀器）來確定，而該儀器的工作不依賴于位于地球或其他天體的導航和通信設備，那么軌道確定（空間導航）則是自主的。絕大部分航天器都采用非自主測軌。由于這種方法存在很大局限性，它要依賴地面站，而一個地面站跟蹤衛(wèi)星的時間是非常有限的。自主導航存在兩種方式：被動或主動。被動方式意味著與航天器以外的衛(wèi)星或地面站沒有任何合作，例如空間六分儀；而主動方式意味著與航天器以外的地面站或衛(wèi)星（例如數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星）有配合，例如全球定位系統(tǒng)。另外還存在一個問題需要考慮，即航天器自主軌道確定與姿態(tài)確定是相互關聯(lián)或者互相獨立的。一般說來由于軌道比姿態(tài)變化緩慢的原因，希望軌道確定和姿態(tài)確定互相分開，特別在精度要求很高的場合。但是有許多敏感器，例如空間六分儀、陸標跟蹤器、慣性測量部件、太陽和星敏感器等，既可以作軌道確定系統(tǒng)的敏感器，同樣地也可作姿態(tài)確定系統(tǒng)的敏感器。根據(jù)這些敏感器所得到的信息，設計相應軟件，經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)處理和計算，就可以得到有關軌道和姿態(tài)的數(shù)據(jù)。在這種情況下，姿態(tài)和軌道確定是相關聯(lián)的。9、 載人飛船的特點表現(xiàn)在哪幾方面？答：載人飛船的特點主要表現(xiàn)在返回地球、乘員的生活及活動條件、飛行安全三方面。10、 空間站系統(tǒng)有哪幾部分組成？各自的功能是什么？答：空間站姿態(tài)控制分為姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機動兩部分。姿態(tài)穩(wěn)定又分為兩種情況：第一種情況為對地球指向穩(wěn)定，主要為與地面通信聯(lián)系和有關的數(shù)據(jù)傳遞提供穩(wěn)定姿態(tài)。第二種情況，姿態(tài)控制精度由有效載荷或者在空間站進行的有關實驗提出，此種精度要求視有效載荷和實驗研究的不同而不同。三、推導題15％1、推導二體運動方程。設質(zhì)量為M和m的物體的位置矢量分別為Tm和r并定義=r-rmM設質(zhì)量為M和m的物體的位置矢量分別為Tm和r并定義=r-rmM利用牛頓定律，可得GMmrGMmr由此可得再由引力參數(shù)可得r..GMrr3mMr..=GmrG(m+m)rr+巴r=or3此式即為二體運動方程。2、推導Oxyz和OXYZ兩坐標系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設下予以線性化。解：⑴OXoyoZoT繞Oxo(“l(fā)”)轉(zhuǎn)9角。郵丫’⑵OaEY，—繞'(“2”)轉(zhuǎn)°角t。鄧丫于是坐標系Oxyz和OxoyoZo之間的坐標變換關系即為式中(3.10)(3.11)式中(3.10)(3.11)cos0coscos0cos屮

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cos申sin9sin屮+sin申cos屮 cos申cos9同樣可得按照2-3-1,3-1-2,1-3-2,2-1-3,3-2-1等不同轉(zhuǎn)動順序的變換關系。當時，即在小角度變化情況下，B可近似為-1-1屮-9B=-屮19-申1(3．13)其中歐拉角9“S分別稱為俯仰角、偏航角和滾動角，而Oz，oy，Oz軸分別稱為航天器的滾動。四、計算題10％1、已知一自旋衛(wèi)星動量矩H=2000Kg?m2/s，自旋角速度為w=50r/min，噴氣力矩Mc=20N?m，噴氣角為丫=60。，要求自旋進動0c=90。。問噴氣一次自旋進動多少？總共需要多少次和多長時間才能完成進動？

AT=丫= 60 =0.2s解：每轉(zhuǎn)一圈的噴氣時間為， ①300°/s0.002°，A9二MAT= 0.002°，所以噴氣一次自旋進動，H2000n=^c=遼二45000（次）故需噴氣， A0°.°02總時間為，t-nT-45000-0.2s=9000s。航天器控制原理自測試題三組成及各部分作用。航天器控制原理自測試題三組成及各部分作用。義的？理及其守恒條件。敏感器的工作原理，并繪出原理結(jié)構圖。慣量比有什么要求？定控制系統(tǒng)的原理框圖。簡述噴氣推力姿態(tài)穩(wěn)定的基本原理。態(tài)機動的原理是什么？噴氣角的選擇為什么不能過?。?，各有什么功用。主要構造。組成是什么？哪些可以重復使用，那些不可以？的作用下，航天起的機械能守恒。。力量矩H=3500Kg?m2/s，自旋角速度為W=60r/min，噴氣力矩Mc=40N?m,噴氣角為丫=40。，要求自旋進動0c=80。。問噴氣一動？航天器控制原理自測試題三答案一、名詞解釋15％1、本體坐標系答：又稱為星體坐標系。在此坐標系中，原點0在航天器質(zhì)心，Ox,Oy,Oz三軸固定在航天器本體上。若Ox,Oy,Oz三軸為航天器的慣量主軸，則該坐標系稱為主軸坐標系。2、偏置動量輪答：如果飛輪的平均動量矩是一個不為零的常值——偏置值,也就是說飛輪儲存了一個較大的動量矩,飛輪的轉(zhuǎn)速可以相對于偏置值有一定的變化,從而產(chǎn)生控制力矩。具有這種特點的飛輪稱為動量輪或偏置動量輪。3、 主動控制系統(tǒng)答：航天器主動式姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制力矩來自于航天器上的能源,它屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。4、 大圓弧軌跡機動答：若要求自旋軸在天球上描繪的軌跡是大圓弧Aoaaf，那么自旋軸必須在同一平面內(nèi)從初始方向OA0機動到目標方向OAF，所以每次噴氣產(chǎn)生的橫向控制力矩必須在此平面內(nèi)，即推力器噴氣的相位相對于空間慣性坐標系是固定的。此為大圓弧軌跡機動.5、慣性導航答：它主要由慣性測量裝置、計算機和穩(wěn)定平臺（捷聯(lián)式?jīng)]有穩(wěn)定平臺）組成。通過陀螺和加速度計測量航天器相對于慣性空間的角速度和線加速度，并由計算機推算出航天器的位置、速度和姿態(tài)等信息。因此慣性導航系統(tǒng)也是航天器的自備式航位推算系統(tǒng)。二、簡答題1、闡述航天器基本系統(tǒng)組成及各部分作用。答：（1）有效載荷一一用于直接完成特定的航天飛行任務的部件三儀器或分系統(tǒng)。（2）保障系統(tǒng)——用于保障航天器從火箭起飛到工作壽命終止，星上所有分系統(tǒng)的正常工作2、引力參數(shù)u是如何定義的?

答：在航天器的運行中，航天器的質(zhì)量m比天體M小得多，所以有定義卩三GM為引力參數(shù).3、敘述質(zhì)點的動量矩定理及其守恒條件。答：質(zhì)點的動量矩定理即質(zhì)點對任意固定點的動量矩對時間的導數(shù)，等于該質(zhì)點所受的力對同一點的矩。這就是質(zhì)點的動量矩定理。若rmo(F)=0,則m°^(mvV=常矢量。即若質(zhì)點所受的合力對某固定點的矩恒等于零，則質(zhì)點對同一點的動量矩守恒。該結(jié)論說明了質(zhì)點動量矩守恒的條件。4、敘述雙軸模擬式太陽敏感器的工作原理，并繪出原理結(jié)構圖。答：將單軸模擬式太陽敏感器中的兩塊光敏元件換為4塊性能完全相同的光敏元件，并按如圖所示的方式配置，則當太陽光線以垂直入射時，4塊光敏元件輸出相等；當太陽光線偏離垂直位置時，4塊光敏元件的輸出不等。對這些光敏元件的輸出信號通過處理電路加以處理后，就可得到太陽光線入射的高低角和方位角，從而同時獲得航天器相對于太陽光線的兩個姿態(tài)角。結(jié)構如圖：5、為了確保穩(wěn)定性，對慣量比有什么要求？答：定義自旋軸慣量-與橫向軸慣量'y一z之比為慣量比卩yztyzt則自旋衛(wèi)星的穩(wěn)定準則就可以總結(jié)如下：若卩＞1，衛(wèi)星是短粗的，短粗衛(wèi)星自旋運動穩(wěn)定。

若PV1,衛(wèi)星是細長的，細長衛(wèi)星自旋運動不穩(wěn)定。注意，在工程上為了確保穩(wěn)定性，應設計至少卩〉1.056、畫出噴氣三軸姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理框圖。答：圖為噴氣三軸姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。廠關控制抬令干擾力矩ili|一|答：圖為噴氣三軸姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。廠關控制抬令干擾力矩ili|一|推力器斥曾姿態(tài)動齊辜負矩控制器姿態(tài)運動姿態(tài) 速度敏感器h7、推力器的工作時間為什么不能過??？答：推力器工作時間過短，會帶來以下三方面的困難：噴氣時間越短，脈沖越窄，推力器在技術上越難實現(xiàn)；噴氣脈沖越窄，重復性越差；噴氣脈沖越窄，每次噴氣產(chǎn)生的沖量越小，機動時間就越長。8、GPS有哪幾部分組成，各有什么功用。答：全球定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星作為導航臺的無線電導航系統(tǒng)，由三部分組成。(1)導航衛(wèi)星：是空間導航臺，它接收和儲存地面站制備的導航信號，再依次向用戶發(fā)射。它接收來自地面站的控制指令并向地面站發(fā)射衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)。(2)地面站組：包括主控站、監(jiān)測站、注入站等多種地面站和計算中心。地面站組收集來自衛(wèi)星及與系統(tǒng)工作有關的信息源的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理計算，產(chǎn)生導航信號和控制信號，再由地面站發(fā)送給衛(wèi)星。用戶設備：用于接收和處理導航信號，進行定位計算和導航。對于航天器而言，用戶設備屬于星載設備°GPS系統(tǒng)采用無源工作方式，這給航天器定位帶來很大方便。9、載人飛船的導航與制導工作有哪兒條信息傳輸渠道?答：飛船的導航與制導工作一般可有三條不同的渠道：

第一，由地面雷達監(jiān)視飛船，并將所測得的數(shù)據(jù)傳給地面控制中心的實時計算機處理，計算機將飛船目前的位置與速度由通信系統(tǒng)通知飛船的導航與制導計算機；第二，飛船本身的慣性測量儀器測出的飛船方向和速度的變化，提供給飛船計算機；第三，航天員在飛船上進行天體觀測所得的位置與速度數(shù)據(jù)也通過鍵盤輸人飛船計算機。10、航天飛機基本結(jié)構組成是什么？哪些可以重復使用，那些不可以？答：航天飛機系統(tǒng)的三大部件：軌道器，外儲箱和助推器。第一部件是軌道器，即航天飛機，它是整個系統(tǒng)的核心部分。航天飛機系統(tǒng)的第二個部件是外儲箱，它的作用就是為航天飛機的主發(fā)動機儲存入軌前所用的全部推進劑。兩臺固體火箭助推器是航天飛機系統(tǒng)的第三個部件，它平行地安裝在外儲箱的兩側(cè)，航天飛機的下方?？梢灾貜屠玫氖擒壍榔鳎腆w火箭助推器。外儲箱不可以重復利用。三、推導題15％1、證明在僅有二體引力的作用下，航天起的機械能守恒。rrr證明：由二體運動方程+ =0r. vr.用與上式作叉乘，且=r. vr.用與上式作叉乘，且=Hr. r.. r.r3rv. r3r r.+.=0因為由運算法則aa=aa，所以.r3.vv+rr=0

dt2 .并且注意到dt2 .并且