衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與控制2

衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與控制2匯報人：薛夢軒目錄1概述2課本內(nèi)容3工作映射

1概述衛(wèi)星姿態(tài)確定的基本方法參考矢量法慣性測量法統(tǒng)計(jì)估值法姿態(tài)測量和姿態(tài)確定的最基本方法之一在星體內(nèi)部建立慣性基準(zhǔn)，測量星體相對此基準(zhǔn)的姿態(tài)變化測量數(shù)據(jù)量大，種類多，涵蓋誤差，有冗余空間基準(zhǔn)場地球熱輻射場1.大氣輻射反射2.地球大氣固有輻射太陽、恒星方向場太陽的方向場經(jīng)常用作空間基準(zhǔn)場無線電波場地磁場地磁場可作為姿態(tài)測量的基準(zhǔn)場，地磁矢量為參考量姿態(tài)敏感器方向姿態(tài)敏感器慣性姿態(tài)敏感器測量空間基準(zhǔn)場的儀表，能敏感空間基準(zhǔn)場矢量在姿態(tài)敏感器坐標(biāo)中的分量值光學(xué)敏感器無線電敏感器磁場敏感器力學(xué)敏感器包括各種陀螺，利用高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的軸在空間指向穩(wěn)定的原理工作位置陀螺速率陀螺2自旋、雙旋衛(wèi)星的姿態(tài)確定2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)信息測量自旋衛(wèi)星的姿態(tài)指的是衛(wèi)星自旋軸在慣性空間的方位。自旋衛(wèi)星通常使用以下姿態(tài)敏感器：紅外地球敏感器、太陽敏感器、星敏感器、陸標(biāo)敏感器。2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)姿態(tài)確定的精度自旋衛(wèi)星的姿態(tài)確定可看成在天球上由觀測量求出兩條以上姿態(tài)軌跡的交點(diǎn)。實(shí)際測量中，由于誤差，單個測量將給出一個軌跡帶而不是一條線，貸款依賴于觀測誤差，兩條測量帶交出一個姿態(tài)區(qū)。

2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)姿態(tài)確定的精度測量值的誤差大小誤差靈敏度系數(shù)兩條姿態(tài)軌跡帶的相關(guān)角定姿誤差影響因素：

2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)章動阻尼當(dāng)衛(wèi)星的角動量方向與主軸方向不一致時，再無外力矩作用時，一般情況下其運(yùn)動是帶有章動運(yùn)動的非純自旋運(yùn)動。因此，衛(wèi)星上通常都安裝被動章動阻尼器或章動阻尼系統(tǒng)。測量章動通常使用軸向加速度計(jì)和光學(xué)敏感器。2.2三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的姿態(tài)確定三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)確定的任務(wù)是利用星上的姿態(tài)敏感器測量所得的信息，經(jīng)過處理，求得固連于衛(wèi)星本體的坐標(biāo)系相對空間某參考系中的姿態(tài)。慣性姿態(tài)對地姿態(tài)2.2利用地敏、太敏確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)

2.2地敏、太敏測量三軸衛(wèi)星姿態(tài)誤差：敏感器的測量誤差隨機(jī)測量誤差、系統(tǒng)測量誤差測量基準(zhǔn)的誤差紅外輻射圓盤中心的方向矢量相對地心矢量存在誤差軌道參數(shù)的誤差敏感器的安裝誤差此為系統(tǒng)誤差太陽星歷數(shù)據(jù)+太陽矢量方向+衛(wèi)星軌道參數(shù)2.2利用星敏感器確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)星敏感器是姿態(tài)敏感器中最精確的測量儀器，測量精度可達(dá)角秒級。由于恒星相對于慣性空間的方位是已知的，且保持不變，因此星敏測量值可確定衛(wèi)星相對于慣性空間的姿態(tài)參數(shù)，結(jié)合該時刻的軌道參數(shù)，可從慣性姿態(tài)轉(zhuǎn)換得到衛(wèi)星相對軌道坐標(biāo)的對地姿態(tài)。2.2星敏測量三軸衛(wèi)星姿態(tài)誤差：敏感器的測量誤差CCD陣列的暗電流，（隨機(jī)誤差）；光學(xué)系統(tǒng)畸變（系統(tǒng)測量）軌道參數(shù)的誤差敏感器的安裝誤差此為系統(tǒng)誤差星敏的測量數(shù)據(jù)+衛(wèi)星軌道參數(shù)2.2利用軌道羅盤確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)：滾動角俯仰角偏航角紅外地敏滾動角與偏航角的耦合關(guān)系估計(jì)由陀螺和紅外地敏構(gòu)成的確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)角軌道羅盤2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星姿態(tài)確定測量數(shù)據(jù)以一定的采樣間隔不斷產(chǎn)生，數(shù)據(jù)量大，種類繁多，且需要將不同類姿態(tài)敏感器測量數(shù)據(jù)組合起來綜合處理。這類由大量的姿態(tài)觀測數(shù)據(jù)求得具有某種統(tǒng)計(jì)意義上最優(yōu)的衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)的方法為衛(wèi)星姿態(tài)確定的統(tǒng)計(jì)方法。

聯(lián)合處理的測量值數(shù)目越大，每次單個測量誤差影響越小，計(jì)算結(jié)果越精確，這就是統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法的基本原理。2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：狀態(tài)矢量：X姿態(tài)參數(shù)測量參數(shù)姿態(tài)敏感器性能參數(shù)衛(wèi)星軌道相關(guān)參數(shù)衛(wèi)星慣性特性

——系統(tǒng)狀態(tài)方程2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：觀測矢量：Z姿態(tài)敏感器直接輸出敏感器測量量處理導(dǎo)出

——觀測方程最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。

最小二乘法是常用的狀態(tài)估值方法，對個別野值不敏感，所給出的狀態(tài)估值穩(wěn)定性好，地推算法占內(nèi)存小，適合在線計(jì)算。2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：卡爾曼濾波一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過程。

卡爾曼濾波理論于50年代末提出，伺候被迅速廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際，并不斷完善和擴(kuò)展。目前國內(nèi)外很衛(wèi)星姿態(tài)確定都應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)。2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：2.4自旋穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制：自旋穩(wěn)定衛(wèi)星控制的基本任務(wù)：自旋轉(zhuǎn)速控制、章動阻尼、自旋軸進(jìn)動和發(fā)生平旋后的自旋恢復(fù)。噴氣控制磁力矩控制衛(wèi)星姿態(tài)控制方法星上控制星—地大回路開環(huán)控制閉環(huán)控制產(chǎn)生控制力矩的方法2.4自旋穩(wěn)定衛(wèi)星章動阻尼及控制：阻尼章動就是通過消耗章動的動能而使自旋軸與角動量矢量重合被動式章動阻尼器，內(nèi)裝阻尼物質(zhì)章動敏感器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式被動章動阻尼主動章動控制2.4自旋穩(wěn)定衛(wèi)星消旋系統(tǒng)：消旋控制系統(tǒng)是一個鎖相控制系統(tǒng)，以裝在衛(wèi)星自旋體上的紅外地平儀的地中脈沖為輸入信號，通過調(diào)整消旋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使天線脈沖和地中脈沖重合，即此時天線波束指向地心，且在相位鎖定時，天線相對于自旋衛(wèi)星反方向旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速與衛(wèi)星相同。消旋方式電子消旋機(jī)械消旋消旋控制系統(tǒng)組成敏感器消旋組合件執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器2.5三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的噴氣控制：以噴氣發(fā)動機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)是一種主動式凌東亮姿態(tài)控制系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、指向精度高，適用于各種軌道上運(yùn)行的有各種指向要求的衛(wèi)星。系統(tǒng)特性可在軌道任何位置工作適用于非周期性大干擾力矩場合控制力拒遠(yuǎn)大于耦合力矩噴氣力矩大，過度時間短采用固定推力發(fā)動機(jī)開關(guān)方式2.5三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的角動量交換裝置控制：衛(wèi)星不受外力矩作用時，按角動量守恒原理，輪系角動量的變化（大小與方向），必將引起衛(wèi)星本體角動量的反向變化?，F(xiàn)代三軸姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星普遍采用：三軸正交安裝的反作用輪、三軸正交安裝和第四個等傾角斜裝的騙紙動量輪構(gòu)成的零動量系統(tǒng)，固定安裝或V型斜裝偏置動量系統(tǒng)及雙框架動量輪。2.5三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)捕獲與姿態(tài)機(jī)動：

姿態(tài)捕獲是指從未知的或不控的初始姿態(tài)，達(dá)到飛行任務(wù)所期望的姿態(tài)的控制過程。

姿態(tài)機(jī)動是指由一種姿態(tài)過渡到另一種要求姿態(tài)的控制過程。常用四元數(shù)控制可避免奇異性，星上計(jì)算機(jī)占用內(nèi)存少，還能實(shí)現(xiàn)某種意義下的最優(yōu)機(jī)動。姿態(tài)捕獲地球—太陽太陽—地球陀螺地球敏感器太陽敏感器系統(tǒng)測試基本都采用半物理仿真實(shí)驗(yàn)方法，及衛(wèi)星動力學(xué)用數(shù)字模型代替，控制系統(tǒng)部件部分或全部接入試驗(yàn)回路。通常，敏感器裝在運(yùn)動模擬器上，用目標(biāo)模擬器激勵響應(yīng)的光學(xué)敏感器。姿態(tài)敏感器所需測試用電信號源測試敏感器的處理線路用運(yùn)動模擬器和目標(biāo)模擬器測試敏感器的性能和功能測試系統(tǒng)組成姿控系統(tǒng)產(chǎn)品系統(tǒng)測試設(shè)備運(yùn)動模擬器目標(biāo)模擬器2.5衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的測試：2.5衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的測試：3工作映射功率計(jì)和功率傳感器波導(dǎo)功率傳感器在50至110GHz頻率范圍內(nèi)執(zhí)行精確、可靠的測量。是德波導(dǎo)功率傳感器具備最佳SWR、高可靠性和低損耗，并配有50MHz校準(zhǔn)端口，可以降低測量不確定度。功率計(jì)和功率傳感器USB和局域網(wǎng)功率傳感器通過即插即用的USB連通性，您可以快速和輕松地對功率傳感器進(jìn)行設(shè)置。只需將傳感器連接到PC上，便可使用捆綁軟件立即執(zhí)行功率測量。KeysightUSB功率傳感器可以讓您夢想成真―簡單的設(shè)置，發(fā)揮遠(yuǎn)超傳感器的功能。功率計(jì)和功率傳感器USB和局域網(wǎng)功率傳感器通過即插即用的USB連通性，您可以快速和輕松地對功率傳感器進(jìn)行設(shè)置。只需將傳感器連接到PC上，便可使用捆綁軟件立即執(zhí)行功率測量。KeysightUSB功率傳感器可以讓您夢想成真―簡單的設(shè)置，發(fā)揮遠(yuǎn)超傳感器的功能。功率計(jì)和功率傳感器P系列功率計(jì)N8262A是一款小型超薄、符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的P系列模塊化功率計(jì)。它能幫助您減小測試系統(tǒng)體積，通過LAN執(zhí)行自動功率測量。由于LXI測試實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并且N8262A能夠與現(xiàn)有的測試設(shè)備進(jìn)行互操作，您的系統(tǒng)可以隨時投入測試。30MHz視頻帶寬，支持100MSa/s的快速連續(xù)采樣在連接到被測設(shè)備的狀態(tài)下進(jìn)行歸零和校準(zhǔn)頻率范圍：50MHz－40GHzUSB、LAN和GPIB鏈接后向兼容所有的8480、E系列以及P系列傳感器（每個傳感器均需N1917A電纜）。功率計(jì)和功率傳感器EPM和EPM-P系列功率計(jì)EPM系列：可在9kHz至110GHz的頻率范圍內(nèi)測量-70dBm至+44dBm的平均功率EPM和EPM-P系列提供高性能、可編程的功率計(jì)，以執(zhí)行連續(xù)波、平均功率和峰值功率測量。EPM-P系列：與E932XA功率傳感器一起使用，可以在高達(dá)18GHz頻率上測量-65dBm至+20dBm的峰值功率、平均功率和時間選通功率。它可通過GPIB或RS232接口利用PC軟件進(jìn)行完整的脈沖和統(tǒng)計(jì)分析。功率計(jì)和功率傳感器N432A和432A熱敏電阻功率計(jì)432A/N432A功率計(jì)是一款自動自平衡的功率計(jì)，可與溫度補(bǔ)償熱敏電阻傳感器結(jié)合使用高效率和良好的射頻（RF）匹配是478A和8478B同軸及486系列（現(xiàn)已停產(chǎn)）波導(dǎo)熱敏電阻底座的特征，它們覆蓋從10MHz到40GHz的頻率范圍。每個熱敏電阻底座均提供數(shù)據(jù)，顯示六個頻率上的校準(zhǔn)系數(shù)和有效效率，這些數(shù)據(jù)可以直接追溯到美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）在這些頻率上的標(biāo)準(zhǔn)。NIST在這些頻率上提供校準(zhǔn)服務(wù)。功率計(jì)和功率傳感器V3500A手持式射頻功率計(jì)V3500A手持式射頻功率計(jì)是一款緊湊型手持式儀器，在現(xiàn)場和制造應(yīng)用中均可精確地測量射頻功率。V3500A擁有±0.21dB的絕對精度、10MHz至6GHz的廣泛頻率范圍及-63dBm至+20dBm的測量范圍，適用于各種射頻測量應(yīng)用。10MHz至6GHz的廣闊頻率范圍適用于各種應(yīng)用-63dBm至+20dBm的寬動態(tài)范圍集成的功率傳感器，省去了攜帶單個功率傳感器的麻煩內(nèi)部的功率參考可進(jìn)行自我校準(zhǔn)±0.21dB的絕對精度可以使用電池、交流直流轉(zhuǎn)換器模塊或通過USB接口連接到電腦上來供電功率計(jì)和功率傳感器53140系列微波計(jì)數(shù)器/功率計(jì)/DVMKeysight53147A微波計(jì)數(shù)器/功率計(jì)/DVM是集全功能20GHzCW微波計(jì)數(shù)器、真正功率計(jì)以及直流DVM全部功能于一身的便攜式一體機(jī)。它將3種最常用于現(xiàn)場測量的儀器集成到一臺設(shè)備中，是安裝和維護(hù)點(diǎn)到點(diǎn)微波鏈路的理想工具。在ATE系統(tǒng)中，三合一儀器53147A還可節(jié)省寶貴的機(jī)架空間。Keysight53140系列是集連續(xù)波/微波頻率計(jì)數(shù)器、真正功率計(jì)以及直流DVM全部功能于一身的便攜式一體機(jī)。它將三種最常見的現(xiàn)場測量功能整合到一臺儀器中，是用于點(diǎn)對點(diǎn)微波鏈路安裝與維護(hù)的理想工具。在ATE系統(tǒng)中，這種三位一體的53140系列還可