先进陆地观测卫星的精确姿态和轨道控制系统
先进陆地观测卫星(ALOS)精度姿态和轨道控制
系统
日本，Tsukuba，日本的国家空间开发机构。
Takeshi Yoshizawa, Hiroki Hoshino，和Ken Maeda NEC东芝太空系统，日本横滨。
摘要
先进的陆地观测卫星(ALOS)是NASDA的高分辨率地球观测的旗舰。ALOS任务的特点是同时取得了250万的分辨率和全球的数据收集，它需要一套指向的要求，为观测到的图像提供精确的几何精度。在指向管理框架,旨在满足指向要求,态度和轨道控制系统(家)对自己严格的要求:态度稳定(3.9×10?4度p p),态度决定射门角度(上:3.0×10?4度),和定位精度(离线:1米)。为AOCS开发和实现了多种解决方案。这一挑战包括精密恒星跟踪器、高精度GPS 接收机、高性能机载计算机、基于星型传感器的姿态确定和控制、柔性结构的相位稳定和精密的协同控制。本文介绍了AOCS原型机的设计和测试结果，重点介绍了新方法的发展，使其具有了一定的精度。
1.介绍
在土地观察方面，继续努力争取更高的决议。随着空间分辨率的提高，观测图像几何精度的重要性越来越明显。这一趋势已经给今天的地球观测卫星的姿态和轨道控制系统的设计带来了影响。
国家空间发展的先进陆地观测卫星(ALOS)。
图1:先进的陆地观测卫星。
日本航空公司(NASDA)在2004年开始研发，是高分辨率地球观测的旗舰(图1)。主要致力于制图，ALOS的独特特点是同时实现了信心目标:全球数据收集，分辨率达250万。这种特性要求精确的地理定位和几何校正，而不需要地面控制点。为此，我们为ALOS开发
了一组指示性需求:指向稳定(
-4
4.010
?度p-p)，定位精度(板载:-4
4.010
?度，脱机:
-4
2.010
?度)，定位精度(板载:200米，脱机:1m)。
为了满足这些需求，一种扩展了姿态控制、卫星系统和地面系统的集成框架被取消了。由于姿态和轨道控制系统(AOCS)是实现这些要求的关键，我们对AOCS进行了严格的精度要求。为了接受这个挑战，AOCS开发并实现了各种解决方案。
ALOS AOCS的特点是它的精度。它的性能和性能，为日本的姿态和轨道控制系统提供了一个新的标准。本文介绍了ALOS AOCS原型机的设计和测试结果，特别强调了新的开发。
图2:ALOS原型模型的集成
2.先进陆地观测卫星(ALOS)
2.1任务概述
目前地球观测有两个品种。一是通过观察全球环境来代表地球科学的使命，而另一个代表实际应用的陆地区域观察任务。ALOS是一个大型高分辨率卫星，旨在促进实际应用。特别地，ALOS致力于制图、区域环境监测、灾害管理支持和资源调查，通过全球收集高分辨率图像。
2.2卫星系统
为了完成任务要求，ALOS有3个大型观测传感器:立体测图(PRISM)的全色遥感仪(PRISM)，具有2.5m的空间分辨率，先进的可见光和近红外辐射-2 (A VNIR-2)，具有多光谱能力，相控阵型l波段合成孔径雷达(PALSAR)具有全天候观测能力。作为一个卫星整体，ALOS是一颗大型地球观测卫星，其质量为4000kg，产生的功率为7kW。它将由一个H-IIA 火箭发射到一个太阳同步的次循环轨道，它的高度为691.65公里，在当地时间的10点30分升节点，并将执行任务5年。
NASDA已经完成了ALOS工程模型的开发测试和原型飞行模型的设计。目前，如图2所示，卫星原型机模型的测试和积分正在NASDA的Tsukuba空间中心进行。
图3:指向需求的频域表示
图4:指向管理系统
2.3指出需求
具有250万分辨率的全球数据收集的任务特性，得到了精确的地理位置测定和全球观测图像的几何校正的要求。在重测条件下，像素地理位置的确定精度、图像的几何畸变、调制传递函数的退化都是最小化的，重叠部分是最大的。为此，需要对卫星位置和传感器的指向方向进行精确的测量，并将传感器指向方向的变化最小化。表1总结了这些指向需求。要求在指向稳定性、指示反终止精度和位置确定精度方面遇到困难。在图3中给出了指向要求的频域表示。
2.4精密指向管理
ALOS引入了一个集成框架，如图4所示，以给出这些需求的解决方案。这个框架，指
向管理系统，扩展到传统的AOCS 到热变形的热变形设计，传感器的校准管理，控制带宽的控制，干扰管理，时间管理，高带宽指向测量，数据处理设计，以及基于地面的图像处理的指向确定[3]。由于卫星姿态的相互作用具有显著的姿态控制精度、姿态稳定性、姿态确定精度和位置确定精度，并给予AOCS(表2)。
表1:指向要求(3σ)
3.态度动力学
3.1开环动态
树脂黄有三个大型柔性结构:太阳能ar-ray 桨(PDL)23米的长度和质量的220公斤,PALSAR 天线的长度9米和480公斤的质量,和数据中继通信(DRC)天线2米的长度和质量的160公斤。柔性结构的最低振动模式为0.03Hz 的太阳能桨，0.5Hz 为PALSAR, 3.7Hz 为DRC ，在无约束条件下。在图5中给出了卫星的典型开环频率响应。考虑到这些灵活的结构和ALOS 的平移运动，我们可以通过以下的运动方程来表达ALOS 的态度动力学:
01()j j j T j i i i c e j i
I R q
T T ωδδ+?+=+∑∑ (1) 0+0j
j i i TvCG j j M q δ=∑∑ (2)
2T T 0112()0j j j j j j
j j j i i i i i i j i i CG i q q q R v ζωωωδδδ+++?++= (3) i=模式编号，j = PDL, PALSAR, DRC 。
3.2干扰
图6展示了ALOS 的态度动态及其关系的主要元素。内部和外部干扰的Ma-jor 源包括DRC 的天线驱动机构、AVNIR-2镜像驱动机构、反应轮、PDL 驱动机构、PDL 热-mal snap ，以及太阳辐射压力不连续性的环境干扰。
这些扰动不仅影响了航天器主体的刚体姿态，而且激发了DRC H/D 齿轮和支撑臂、PALSAR 、PDL 、空间飞行器主结构和推进剂晃动的各种动态模式。除了这些因素外，错误的姿态控制参考框架也会导致姿态退化。系统角质层的陀螺效应也很重要。
图6:扰动和动态模式
图7:干扰频率特性
3.3频率特性
先前描述的扰动和动态模式有它们自己的频率内容。图7显示了它们的频带，表明扰动和动态模态分布在较宽的频率范围内。虽然姿态位移的低频率分量主要受到姿态控制的抑制，但干扰抑制控制带宽和姿态控制的补偿带宽是频率受限的。因此，本征值管理和干扰管理对控制带宽之外的姿态位移具有重要的意义。
图5:姿态频率响应(PDL角度= 90度)
图8:AOCS过渡方式工艺流程图
4姿态和轨道控制系统
4.1 概述
ALOS姿态和轨道控制系统(AOCS)的主要规格见表2。ALOS AOCS基于三轴垂向姿态确定和零动量姿态控制。它有一个采集模式，一个正常的控制模式，和一个轨道控制模式，如图8所示，并通过一个基于星型跟踪的姿态确定和控制在正常控制模式下，实现了表2中指定
的精度。这个AOCS 是由它的精度所独有的，特别是姿态稳定性(43.910
-?度/5s)，板载的刚毅测定精度(43.010
-?度)，地面定点定位精度(42.010-?度)，地面定位定位精度(1m +)。 在设计这个AOCS 时，我们开发了新技术，以实现ALOS 的精度要求，同时利用ETS-VI 、ADEOS 和ADEOS-II AOCSs 的技术传统。
4.2体系结构
4.2.1硬件体系结构
该体系结构如图9所示（硬件架构）和图10（软件体系结构）。除了传统的成分如地球传感器（ESA ），太阳传感器（FSS ），惯性参考单元（IRU ），和磁力矩器（MTQ ）、AOC 介绍以下新的组成部分：（1）高精度星敏感器（STT ）与随机误差角9.0arecsec 和0.74弧秒偏置角误差，（2）高精度GPS 接收机（GPSR ）能够双频载波相位测量，（3）高性能机载计算机（AOCE ）基于新的64位星载微处理器，和（4）用于补偿桨致热卡和天线驱动引起的干扰力矩大飞轮。
图9：AOC 体系结构（硬件）
图10：体系结构（软件）
图11：AOC的闭环控制框图
4.2.2软件架构
该飞行软件(ACFS)是用C语言在一个基于商业的基于电子的实时操作系统上实现的。态度等传统的应用程序采集、轨道控制,ESA的基础态度确定和控制,和FDIR安装以下新功
能:(1)FMM(容错多处理器经理),(2)明星身份,(3)精密态度决心使用扩展卡尔曼滤波,(4)精密
合作控制,(5)桨驱动控制与动态避免共振,(6)轮角速度偏差操作,(7)上精密轨道模型,(8)1553 b 数据之间,(9)冲洗液兼容的数据处理。
4.2.3闭环架构
将AOCS硬件和软件集成在一起构成图11所示的闭环。该AOCS的一个独特之处是基于STT的精度态度决定(PADS)和基于ESA的标准态度去终止(SADS)的并行处理。在正常模式下，AOCS控制ALOS的态度与精确的态度估计，同时它通过FDIR函数来监测精确的态度估计和标准的态度估计。在精密姿态确定系统的操作和应急模式下，标准的态度也被用于姿态控制。该设计使我们能够为用户提供精确的态度，以达到卓越的姿态控制和态度的稳定性，同时以标准的态度决定国家的传统，最大限度地降低风险。图12展示了AOCS组件在进行的原型飞行测试中的飞行硬件。
4.3 容错设计
ALOS AOCS的容错设计有三个层次。在最低级别上，所有AOCS组件都有内部冗余或备用冗余，以实现对单个硬件故障的健壮性。在这些冗余的基础上，建立了容错计算机系统，在此基础上，通过FMM、回滚处理、延时表型和MPU重新配置对2个MPU的相互监视，在单个故障、单个事件或MPU级别的延迟事件中维护计算能力。此外，该系统还通过EDAC 进行了1位错误校正，并通过观察狗定时器对其进行了过度躲避。在顶部的层次结构中，在ACFS中的FDIR程序是一个失败，并对一个子系统级异常重新配置AOCS。
图12:AOCS PFM在原型飞行测试中
图13:指向数据处理
图14 :AOCE结构
表3:AOCS组件规范
4.4数据处理设计
地球观测卫星的现代姿态和轨道控制系统预计将具有生成任务数据的附加功能，用于观测图像的几何校正。ALOS AOCS可以提供24小时的人力资源。态度估计，数据，数据，和GPSR 数据，除了传统的健康和家庭保持遥测。如图13所示，这些数据以全速率被记录下来，并作为低速任务数据与地面接收站的低速度任务数据相关联，在这些站点中，离线的姿态和位置决定被执行，以达到较高的精度。
5 AOCS组件
本节描述了AOCE、STT和GPSR。其他AOCS组件的主要规格见表3。
5.1态度和轨道控制电子
ALOS姿态和轨道控制电子(AOCE)[4]使用了3个25-MIPS, 64位的MPUs，每一个都基于1M的门阵列，并且有一个浮点计算单元。这个MPU是由NASDA开发的，是世界上第一个64位的星载MPU。在图14中显示了AOCE的体系结构，并在表4中对规范进行了总结。
3 CPU单元的内部冗余和其他功能的双单元。为了最大限度地使用MPU电源和容纳越来越
复杂的ACFS, AOCE有512KB的普通ROM和2MB的普通RAM，每个CPU单元有4MB 的本地RAM。这些配置允许AOCE完成100ms的控制周期，尽管由于精度的态度决定了大量的计算负载。数据接口为1553B数据总线，符合CCSDS标准。AOCE也允许轨道重构。图15显示了ALOS AOCE原型模型。
图15:AOCE原型机模型
5.2精密星跟踪器
态度确定精度的一个关键因素是ALOS的精密恒星跟踪器(STT)，它将自己与世界上最好的星位精度(random error: 9.0arecsec @6mag, bias error: 0.74弧秒，都在3)中区分。图16显示了STT的架构。ALOS STT有3个光学头(STO)，同时使用2个光头。为了使最佳的星位精度成为可能，我们采用了低热量的脱扭结构，并实现了严格的温度调节。对于每一个STO, 度的视场，每秒钟为5颗星的跟踪模式和10颗星提供位置和亮度。表5给出STT有88
了STT的主要规范，而图17展示了STT的原型机模型。
图16:STT框图
图17:STT原型机模型
5.3精密GPS接收器
该位置测定的关键部件是ALOS的高精度GPS接收器(GPSR)。我们开发了提供载波相位测量的双频GPS接收机。图18显示了GPSR的内部架构。GPSR测量了L1和L2信号的伪角度和载波相位。l1 -波段信号的伪距用于机载、独立(即:不定积分)定位。将GPSR的导航结
果作为有效载荷取心数据，并通过TT&C向其他子系统(如任务传感器)提供精确的位置信息。此外，GPSR还能产生精确的参考时间脉冲，并作为卫星内部时间管理的参考时钟。表6显示了ALOS GPSR的主要特性，图19显示了GPSR的原型机模型。
L1和L2信号的载波相位在任务数据处理系统中被记录在GPSR的其他数据24小时内，作为低速任务数据被传输到地面站。将GPSR所传递的信息与世界各地地面参考点测量的载波相位相结合，精确定位系统实现了载波相位高频的定位，使ALOS的位置精确到亚米。
图18:GPSR方框图。
图19:GPSR原型机模型
6态度决定
ALOS的姿态确定精度由精确的星型跟踪器、星载星识别、扩展卡尔曼滤波的姿态四元数、以及STT和IRU之间的校准变化来完成。
6.1星识别
在正常的地球观测模式下，AOCS exe-cutes自动序列启动精度姿态测定，并最终将STT置
于跟踪模式中，其中AOCS 采用直接匹配的方法进行星形识别。
星形识别处理的状态转换如图20所示。在STT 的交点模式下，AOCS 执行一种模式配对法，不需要先验的态度知识。一旦识别成功，AOCS 自动启动直接匹配并继续进行星形识别。如果在指定的时间内失败了星号标识，则返回到模式匹配。通过对所有天空场的模拟运行，对该算法的性能进行了评价。
识别成功后，AOCS 向前移动，将STT 从采集模式切换到跟踪模式。如果在模式转换后直接匹配失败，AOCS 自动返回到获取模式的直接匹配。
在获取模式中，姿态测量是由一种基于三元的多星对扩展的方法导出的。在跟踪模式下，采用STT 的测量方法计算了姿态测量：
11T 1()n n s c A A s c φθψ-????????????????=-????????????????????????
（4） 1n C A C ????=??????
，3231210
00i i i i i i i c c C c c c c -????=-????-??（5） 星定位向量从STT i s ,和星方向向量从机载星i c .目录所得姿态误差转化为四元数。然后，将
其添加到预测的姿态四元数中，产生STT 测量姿态四元数。
6.2星目录
基于Hipparcos 目录的Sky2000.0 ver2 .2用于ALOS 的主目录，其位置精度、大小精度、可靠性和覆盖范围。根据这个目录，我们可以通过删除以下的恒星来生成一个星载目录:星对小的分离角度，双星，明亮的恒星，暗淡的恒星，有大的适当运动的恒星，可变的恒星，无噪声的恒星，星云或星系中的恒星。在星上识别后，确定的恒星的位置与恒星的属性校准:正确的运动，每年的视差，从地球的旋转和卫星运动的，和引力透镜效应。
6.3扩展卡尔曼滤波器
成功的恒星识别可以产生基于STT 的姿态测量。利用这些姿态测量和IRU 输出，AOCS 通过扩展卡尔曼滤波器来估计ALOS 的姿态四元数相对于惯性参考。一个实际的算法是基于非线性过程方程的线性化和每个姿态估计的观测方程。
应用扩展卡尔曼滤波方法，导出了姿态估计误差的系统方程：
0011()0220z y x z x y y x z x y z d q q q dt ωωωωωωωωωωωωω-????-??==Ω??-??---??
（6） 2,1d b u b dt
ηωη==-- （7）
这里真正的姿态四元数是[][]T T 12
344v q q q q q q q == ，物体的真实角速度是：T x y z ωωωω??=??
，IRU 输出是：T x y z u u u u ??=?? ，IRU 漂移速度是：
T x y z b b b b ??=?? ，随机漂移噪声是：T 1111x y z ηηηη??=?? ，随机漫步漂移
噪声是：T 2222x y z ηηηη??=?? 。 让一个状态向量T T T x q b ??=?? ，估计T T T T T T 4e e e ev e x q b q q b ????==???? ，和
e e u b ω=- 。引入一个误差四元数q δ 及其矢量分量v q δ 通过四元数乘法e q q q δ=* ，可以定义一个态度估计错误T T T v e x q b b δ?????=-??????
然后，给出了姿态估计误差系统方程的一阶近似：
13333332333333
3311()02200e I I d x x dt I I ηωη???????????Γ--???????=?+???????????? 0()00ez ey e ez
ex ey ex ωωωωωωω??-??Γ=-????-??
（8） 通过泰勒展开式展开e x
。
使用x ?,还可以获得的观测方程的态度估计错误: []33330m y I x v ??=?+ （9）
态度测量误差为m y ，测量噪声为v 。
利用卡尔曼滤波方法对系统方程的解耦导出的离散误差系统进行了应用。测量更新是在1Hz 进行STT 的测量，而四元数的时间更新是在10Hz 对应于陀螺仪测量周期。在ACFS 中，扩展卡尔曼滤波器的实际实现利用了协方差矩阵的UD 分解位置。进一步的细节是被禁止的参考。
6.4传感器校准
传感器中热变形的最小化是精确姿态确定的关键。为此，PRISM 、STT 、IRU 和一个高带宽抖动传感器(ADS)被放置在光学工作台上(图21)。此外，棱镜、光学试验台、STT 支架和STT 均受精确的温度控制。在棱镜的辐射计中，温度是通过被动和主动控制在每个地方的231
+
度内进行的。光学工作台和STT 支架的温度也控制在233+度内。斯托的温度调节得更紧。例如，STO 的镜头单元在250.2+度中被控制。因此，STT 和IRU 的对齐方式在10弧秒内保持不变。STOs 之间的对齐变化在0.25弧秒内被调整。
6.5姿态决定性能
通过对天空所有方位的无数模拟，对精度姿态确定系统的性能进行了评价。图22展示了模拟结果的一个示例。图23对板载姿态确定精度的分析结果。
进一步的改进将在地面对姿态确定精度，并随后，指出确定的准确性。这是通过使用平滑和广告测量在精确定位和地理定位确定系统，NASDA 目前发展。
图23:姿态决定性能
7姿态控制和稳定
ALOS 的姿态控制精度主要由精确的机载轨道模型和基于精度姿态确定系统的姿态控制来实现。
树脂黄稳定的态度是通过不同的方法,如相稳定灵活的结构,精密合作控制和参数识别,天线指向的主动阻尼控制,基于星体跟踪定位器的姿态控制,一个特征值管理,一个轮子偏见操作,和一系列随机PDL 修剪。
7.1姿态控制参考框架。
由于精度态度决定了对J2000.0惯性坐标的估计姿态角，因此在实现地心指向姿态控制时，需要从ALOS 的真实轨道位置对地心参考姿态进行加减。为了使这种能力得到满足，ACFS 拥有以下精确的机载轨道模型，其中10个参数为110,...,P P 。
11cos2a P K α=+ (10) 223cos3
cos x e P K K αα=++ (11) 324cos3cos y e P K K αα=++ (12)
4587
10cos2cos 2()G i P K K P t P αθ??=++-+?? (13) 576sin2P Pt K αΩ=++ (14)
79710sin 2sin 2()G K K P t P
αααθ??=++-+?? (15) 2689P Pt P t α=++ (16)
cos ,sin ,x y e e e e M ωωαω===+ (17) ACFS 通过传播该模型来计算控制参考轨道框架，并从惯性坐标系下的估计姿态中减去参考姿态，得到控制误差角。在目前的计划中，基于地面轨道估计的模型参数将至少每3天更新一次。
图24:姿态控制律
图25:姿态控制性能
7.2反馈控制律
图24所示的独立控制律适用于滚动、俯仰和偏航的每个轴。控制律包括PD 控制、积分补偿、前置延迟滤波器和轮速伺服回路。该控制律实现了低阶柔性模态的动相稳定。反馈回路的补偿带宽扩展到0.5 1Hz ，干扰抑制带宽为0.005Hz ，为3个轴。在图5中显示了带有该控制器的补偿的Bode 图，并显示了开环频率的复核。图25显示了评估的姿态控制精度。
7.3解决态度稳定性的方法。
表7总结了实现态度稳定性的方法。DRC 天线的步进电动机带动天线的爆振模式和谐波传动齿轮模式。DRC 的跟踪和指向控制系统提供了这些模式的主动阻尼来减少激励。此外，为了减少激振，从结构和控制的角度来看，吊杆和齿轮的设计都是有缺陷的，它们的特征值是通过设计和制造过程控制的。
DRC 天线偶尔会产生一个大的指向变化。由于这个旋转运动而产生的角动量改变可能会产生显著的姿态运动。为了减小这一效应，AOCS 对DRC 天线运动进行了前馈控制。这种前馈控制称为合作控制。由于这种协同控制的性能取决于DRC 质量模型的参数精度，因此将进行飞行参数识别，将合作控制误差降低到1%。
AOCS 在响应A VNIR-2的镜像驱动信号时也会执行类似的协同控制，因为反射镜的大动作会引起动量交换，干扰了姿态。
提高态度稳定性的一个主要因素是AOCS 的反馈控制。它实现了PDL 和PALSAR 低频率模态的相位稳定。这也会抑制PDL 在短时间内的热吸附引起的态度变化。
表7:姿态稳定性的方法
图26:合作控制和轮速伺服回路
7.4 DRC 合作控制
给出了ALOS 空间飞行器在体坐标系中的总角动量: 0B DRC wheel I H H ω++= （18）
AOCS 的协同控制使角动量为wheel DRC H H =-
的反应车轮，以尽量减少由DRC 的旋转运动引起的姿态率误差。从天线的角度、频率和由天线质量特性组成的频率和条件之间可以推导出一种线性关系，即DRC 的角动量: (,,)(,,,)DRC AZ EL AZ EL
H G M I r f θθθθ= (19) 在这里，我们使用一个三刚体模型作为天线模型来减少建模误差。线性关系的引入减轻了舰载的通信负载，有利于参数的一致性。由DRC 的速率指令信号代替了天线角速率，以避免由于编码器的微分而导致的时间衰减。如图26所示，转轮伺服的前馈是由从角动量推导出的扭矩的形式，以消除车轮伺服回路的时滞。
图27:驱动器中的DRC姿态稳定性
7.5态度稳定性能
图27(a)显示了DRC的主动阻尼控制运行时的韧角和姿态稳定性的仿真结果。图27(b)也显示了该合作控制对刚果民主共和国的旋转运动的模拟结果。在(a)和(b)中，上面的图显示了一个滚动的响应，而较低的数字显示了滚动的长期姿态稳定性。表8总结了影响长期指向稳定性的因素及它们的定性贡献。
8开发测试和原型飞行测试。
通过AOCE、ACFS、STT、GPSR等工程模型，成功地完成了一系列部件和子系统的开发试验。子系统开发测试包括静态开环测试(SOLT)、静态闭环测试(SCLT)、STT-AOCE闭环测试和STT-AOCE现场测试。
对于原型飞行测试，完整的SOLT，全SCLT, STT-AOCE闭环测试，以及STT-AOCE现场测试都是在所有AOCS组件的原型飞行测试之外进行的。请注意，现场测试使用STT和AOCE 的工程模型硬件，但是他们的原型飞行模型软件。到今天为止，所有AOCS组件的原型飞行测试已经完成，AOCS子系统的最终认证正在进行中，并且将在今年夏天完成。
图28显示了SCLT在原型飞行测试中的典型结果。AOCS在正常的控制模式下，以基于ESA 的控制为基础，手动和自动控制。
图28:PFM SCLT的典型结果
9结论
随着各种新方法的引入，开发了ALOS的精度姿态和轨道控制系统。该AOCS满足了对姿态确定精度、姿态控制精度、姿态稳定性和定位精度的严格要求。本文介绍了AOCS设计的概况。一系列的开发测试对其可行性和有效性进行了分析。AOCS原型机模型的最终认证正在进行中。ALOS将在2004年夏天推出，为用户提供高精度的高精度图像。
参考文献
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自动控制原理实验-卫星三轴姿态控制系统
自动控制理论实验报告人： 赵振根 02020802班 2008300597
卫星三轴姿态飞轮控制系统设计 一：概述 1.1．坐标系选择与坐标变换 在讨论卫星姿态时，首先要选定空间坐标系，不规定参考坐标系就无从描述卫星的姿态，至少要建立两个坐标系，一个是空间参考坐标系，一个是固连在卫星本体的星体坐标系。在描述三轴稳定对地定向卫星的姿态运动时，一般以轨道坐标系为参考坐标系，还有星体坐标系。 （1） 轨道坐标系o o o O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，o O X 轴在轨 道平面上与o OZ 轴垂直，与轨道速度方向一致，o OZ 轴指向地心，o O Y 轴垂直于轨道平面并构成右手直角坐标系 （2） 星体坐标系b b b O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，b O X ，b O Y ，b OZ 固连在星体上，为卫星的三个惯性主轴。其中b O X 为滚动轴， b O Y
为俯仰轴， OZ为偏航轴。 b 1.2 飞轮控制系统在卫星三轴姿态控制中的应用与特点 长寿命，高精度的三轴姿态稳定卫星，在轨道上正常工作时，普遍采用角动量交换装置作为姿态控制系统的执行机构。 与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的有点：(1)飞轮可以给出较为精确地连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作为非线性开关控制，因此轮控系统的精度比喷气推力器的精度高一个数量级，而姿态误差速率也比喷气控制小。(2)飞轮所需要的能源是电能可以不断地通过太阳能电池在轨得到补充，因而适用于长寿命工作，喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因而寿命大大受限。(3)轮控系统特别适用于克服周期性扰动。(4)轮控系统能够避免热推力器对光学仪器的污染。 然而，轮控系统在具有以上优越性的同时，也存在两个主要问题，一是飞轮会发生速度饱和。当飞轮朝着一个方向加速或偏转以克服某一方面的非周期性扰动时，飞轮终究要达到其最大允许转速。二是由于转速部件的存在，特别是轴承寿命和可靠性受到限制。 1.3 飞轮姿态控制原理 从动力学角度看，卫星姿态运动时卫星角动量作用的结果，飞轮则是通过与卫星间的角动量的交换来实现姿态控制，要使卫星在轨道上保持三轴稳定并对地定向。卫星的角动量H应该不变，且方向与轨
先进陆地观测卫星的精确姿态和轨道控制系统
先进陆地观测卫星(ALOS)精度姿态和轨道控制 系统 日本，Tsukuba，日本的国家空间开发机构。 Takeshi Yoshizawa, Hiroki Hoshino，和Ken Maeda NEC东芝太空系统，日本横滨。 摘要 先进的陆地观测卫星(ALOS)是NASDA的高分辨率地球观测的旗舰。ALOS任务的特点是同时取得了250万的分辨率和全球的数据收集，它需要一套指向的要求，为观测到的图像提供精确的几何精度。在指向管理框架,旨在满足指向要求,态度和轨道控制系统(家)对自己严格的要求:态度稳定(3.9×10?4度p p),态度决定射门角度(上:3.0×10?4度),和定位精度(离线:1米)。为AOCS开发和实现了多种解决方案。这一挑战包括精密恒星跟踪器、高精度GPS 接收机、高性能机载计算机、基于星型传感器的姿态确定和控制、柔性结构的相位稳定和精密的协同控制。本文介绍了AOCS原型机的设计和测试结果，重点介绍了新方法的发展，使其具有了一定的精度。 1.介绍 在土地观察方面，继续努力争取更高的决议。随着空间分辨率的提高，观测图像几何精度的重要性越来越明显。这一趋势已经给今天的地球观测卫星的姿态和轨道控制系统的设计带来了影响。 国家空间发展的先进陆地观测卫星(ALOS)。 图1:先进的陆地观测卫星。 日本航空公司(NASDA)在2004年开始研发，是高分辨率地球观测的旗舰(图1)。主要致力于制图，ALOS的独特特点是同时实现了信心目标:全球数据收集，分辨率达250万。这种特性要求精确的地理定位和几何校正，而不需要地面控制点。为此，我们为ALOS开发 了一组指示性需求:指向稳定( -4 4.010 ?度p-p)，定位精度(板载:-4 4.010 ?度，脱机: -4 2.010 ?度)，定位精度(板载:200米，脱机:1m)。
城市轨道交通火灾特点
城市轨道交通火灾的特点： 对地铁这种特殊地下建筑与交通工具进行详尽分析发现，人员密度大、流量多是其最为显著的特征。 地铁一旦发生火灾等灾害，与在地面建筑发生同样事故相比，其状况要更加难以控制，后果也会更加严重。 地铁是通过挖掘的方法获得的建筑空间，隧道外围是土壤和岩石，只有内部空间而没有外部空间，且仅有与地面连接的通道作为出入口，不像地面建筑有门、窗，可与大气连通。由于地铁隧道存在上述构造上的特殊性，与地面建筑相比，发生火灾时的特点主要表现在以下几个方面： （1）氧含量急剧下降 地铁火灾发生时，由于隧道的相对封闭性，大量的新鲜空气难以迅速补充，致使 空气中氧气含量急剧下降。有研究表明，空气中氧含量降至15%时， 人体肌肉活动能力下降；降至10%~ 14%寸，人体四肢无力，判断能力低，易迷失方 向；降至6%?10%时，人即会晕倒，失去逃生能力；当空气中含氧量降到5%以下寸，人会立即晕倒或死亡。 （2）发烟量大 火灾时产生的发烟量与可燃物的物理化学特性、燃烧状态、供气充足程度有关。地铁列车的车座、顶棚及其他装饰材料大多是可燃性材料，地下隧道发生火灾时，由于新鲜空气供给不足，气体交换不充分，产生不完全燃烧反应，导致一氧化碳（CO）等有毒有烟气体大量产生，不仅降低了隧道内的可见度，同时加大了疏散人群窒息的可能性。在韩国大邱地铁事故里，人们发现很奇怪的一个现象：在站台一张桌子的周围死了很多人。经过专家分析，原来这是因为在火灾发生时，浓烈的烟雾使地铁里漆黑一团，在人正常的视野高度根本看不见地面。慌乱的人群失去辨别自身周边情况的能力，于是一张桌子就成了大家逃生路线上的障碍物，以致于很多人始终在围着桌子跑，最终被烟气熏死。 （3）排烟排热差
城市轨道交通的特点以及发展
城市轨道交通的特点以 及发展 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-
城市轨道交通的特点以及发展 （KJJH大学UIUHUH学院JGJJ4-2班MM） 摘要：随着城市化和机动化进程的不断加快,交通拥挤正迅速成为制约我 国城市发展的重要问题之一。从城市交通的现状出发,阐述轨道交通的特 点,讨论城市建设中轨道交通系统在环保、快捷、安全等方面的巨大优 势。 关键词：轨道交通?地铁?轻轨?可持续发展 现代城市交通的发展促进了社会生产力的大进步,满足了人们日益增长的 交通消费需求,促进了城市的繁荣,给人类带来了巨大的财富。但同时道 路拥挤、事故频发、大气及噪声污染、能源紧张等问题也相应而来。由 于现代城市居民的出行和人口流动,在一天的高峰时间里,客流高度集 中、流向大致相同的现象很普遍,而仅仅依靠车辆运输已很难适应现代客 运交通的需要,尤其是在大城市和一些迅速崛起的中等城市。 国外大城市交通发展的经验也证明,单靠路面交通不可能从根本上解决城 市交通问题,我国高度密集的城市居住人口和有限的道路空间资源,决定 了我国要优先发展“人均占用道路空间资源最少、能耗和污染最低”的 城市轨道交通系统。重点发展以快速轨道交通为骨干的城市公共交通网 络新体系势在必行。 一、城市轨道交通工程的特点
城市快速轨道交通系统(地下铁道、轻轨)属于集多种、多专业于一身的复杂系统。近百年来世界上许多大城市的发展经验告诉我们,只有采用快速轨道交通系统作为公共交通的骨干网络,才能有效地解决城市交通问题。 1.城市轨道交通提供了大容量运输服务的方式 城市轨道交通提供了资源集约利用、环保舒适、安全快捷的大容量运输服务方式,它与城市其他交通工具互不干扰,具有强大的运输能力、较高的服务水平、显着的资源环境效益,是解决特大型城市交通问题和可持续发展的根本出路。 2.轨道交通集约化的交通方式 轨道交通不仅提供高效、优质的公交出行服务,而且是一种集约化的交通方式,节约能源和土地资源。大城市机动化进程加快,简单的阔路增车方法已无法解决城市交通问题,公交专用道的潜在利用能力毕竟有限,个体分散交通对土地资源利用的效率低下也是有目共睹的,中央商业区土地资源可提供的地面交通供给正逐渐耗尽,利用开发宝贵的地下空间资源,提供新的交通供给,以缓解地面空间资源紧张状况,支持城市的持续发展。
GPS卫星的坐标计算
第三章GPS 卫星的坐标计算 在用GPS 信号进行导航定位以及制订观测计划时，都必须已知GPS 卫星在空间的瞬间位置。卫星位置的计算是根据卫星导航电文所提供的轨道参数按一定的公式计算的。 3.1卫星运动的轨道参数 3.1.1基本概念 1.作用在卫星上力 卫星受的作用力主要有：地球对卫星的引力，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力，大气光压，地球潮汐力等。 中心力：假设地球为匀质球体的引力（质量集中于球体的中心），即地球的中心引力，它决定卫星运动的基本规律和特征，决定卫星轨道，是分析卫星实际轨道的基础。此种理想状态时卫星的运动称为无摄运动，卫星的轨道称为无摄轨道。 摄动力：也称非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、大气光压、地球潮汐力等。摄动力使卫星运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道，同时这种偏离量的大小随时间而改变。此种状态时卫星的运动称为受摄运动，卫星的轨道称为受摄轨道。 虽然作用在卫星上的力很多，但这些力的大小却相差很悬殊。如果将地球引力当作1的话，其它作用力均小于10-5。 2.二体问题 研究两个质点在万有引力作用下的运动规律问题称为二体问题。 3．卫星轨道和卫星轨道参数 卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道。 描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。 3.1.2卫星运动的开普勒定律 （1）开普勒第一定律 卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。此定律阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。由万有引力定律可得卫星绕地球质心运动的轨道方程。r 为卫星的地心距离，as 为开普勒椭圆的长半径，es 为开普勒椭圆的偏心率；fs 为真近点角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置，是时间的函数。 （2）开普勒第二定律 卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。 近地点 远地点 s s s s f e e a r cos 1)1(2+-=
【免费下载】城市轨道交通的特点和作用
城市轨道交通的特点和作用 一、综述 随着社会与经济的发展,城市化已成为当今世界发展的重要趋势。在城市化的历程中,不同规模及不同发展阶段的城市产生了不同的交通需求,需要通过相应的交通技术水平及运输工具来加以满足。从许多国际化大都市发展的实践来看,轨道交通以其运量大、速度快的技术优势已成为城市交通结构中不可缺少的组成部分,它较好地解决了大、中城市交通日益增长的供需矛盾问题,并满足了城市化的要求。城市轨道交通随着城市化进程的深入，越来越成为城市客运交通的主体，因此明晰轨道交通的特点和作用对于指导城市轨道交通的建设和发展有重要意义。 二、城市轨道交通的特点 城市轨道交通的诞生和发展在世界已有100多年的历史，十九世纪六十年代，世界上第一条地铁在伦敦诞生，揭开了城市轨道交通发展的序幕，发展刚ID奥交通成为混业城市交通问题的国际性大趋势。城市轨道交通发展到现在，呈现出以下特点： 1.样式的多样性及其特点 根据轨道交通系统基本技术特征的不同，轨道交通系统主要有市郊铁路、地下铁道、轻轨交通、独轨铁路和有轨电车等类型。 (1)市郊铁路 市郊铁路又称为通勤铁路，是连接城市市区与郊区以及连接城市周围几十千米甚至更大范围的卫星城镇或城市圈的铁路，服务于上下班乘客，一般站距较长，对疏散中心城市人口到周围卫星城的作用十分明显。根据日本的研究资料，市郊铁路的投资大概是地铁的1/10～ 1/5，每千米的能源消耗是汽车的 1/7，是一种十分经济可行的交通方式。 (2)地下铁道 地铁是由电气牵引、轮轨导向、车辆编组运行在全封闭的地下隧道内，或根据城市的具体条件，运行在地面或高架线路上的大运量快速轨道交通系统。世界范围内地铁的地下部分约占70%，地面和高架部分约占30%，甚至有的地
卫星轨道参数计算
卫星轨道平面的参数方程： 1cos( ) p e r r ：卫星与地心的距离 P ：半通径（2 (1)p a e 或21p b e ） θ：卫星相对于升交点角 ω：近地点角距 卫星轨道六要素： 长半径a 、偏心率e 、近地点角距ω、真近点角f （或者卫星运动时间t p ）、轨道面倾角i 、升交点赤径Ω。
OXYZ─赤道惯性坐标系，X轴指向春分点T ； ON─卫星轨道的节线（即轨道平面与赤道平面的交线），N为升交点； S─卫星的位置； P─卫星轨道的近地点； f─真近点角，卫星位置相对于近地点的角距； ω─近地点幅角，近地点到升交点的角距； i─轨道倾角，卫星通过升交点时，相对于赤道平面的速度方向； Ω─升交点赤经，节线ON与X轴的夹角； e─偏心率矢量，从地心指向近地点，长度等于e； W─轨道平面法线的单位矢量，沿卫星运动方向按右旋定义，它与Z轴的夹角为i； a─半长轴； α，δ─卫星在赤道惯性坐标系的赤经、赤纬。 两个坐标系：地心轨道坐标系、赤道惯性坐标系。 地心轨道坐标系Ox0y0z0：以e e 1为x0轴的单位矢量，以W为z0轴的单位矢量，y0轴的单位矢量可以由x0轴的单位矢量与z0轴的单位矢量确定，它位于轨道平面内。 赤道惯性坐标系：OXYZ,X轴指向春分点。 由地心轨道坐标系到赤道惯性坐标系的转换： 1.先将地心轨道坐标绕W旋转角（-ω），旋转矩阵为R Z(-ω)； 2.绕节线ON旋转角（-i），旋转矩阵为R X(-i)； 3.最后绕Z轴旋转角（-Ω），旋转矩阵为R Z(-Ω)； 经过三次旋转后，地心轨道坐标系和赤道惯性坐标系重合。 在地心轨道坐标系中，卫星的位置坐标是： 0 0 0 cos sin 0 x r f y r f z
城市轨道交通岩土工程勘察特点分析
城市轨道交通岩土工程勘察特点分析 下、环境等方面的工程构成，所以工程的复杂程度相对较高，而各部分工程的建设对岩土工程勘察的依赖性都较强，所以对城市轨道交通岩土工程勘察的特点展开研究具有重要的意义。 1城市轨道交通岩土工程勘察特点分析 1.1受城市轨道交通工程方面决定的特点 首先，由于城市轨道交通工程结构复杂，包括车站主体、风道、风井、出入线、高架线路、停车场、变电站等，不同结构在施工的过程中对工程地质的要求存在差异，所以勘察的关键环节设置也并不相同，所以城市轨道交通岩土工程勘察具有勘察内容复杂的特点，例如地下工程对地下水位、围岩分级等方面的勘察依赖性较强，而地面建筑更重视地基承载力、变形计算参数等勘查信息等[1];其次，城市轨道交通工程在施工的过程中需要矿山法、明挖法、盾构法等施工方法，而每种施工方法又由诸多细小的方法构成，如明挖法可分为明挖、盖挖、铺盖挖3种形式，而3种形式又可继续细分，每种细分的施工方法又需要降水、注浆、止水、冻结、接收井加固等配套辅助方法提供支持，岩土工程勘察要满足复杂的方法和工艺的要求，需要全面的获取工程物理力学指标和相应的特殊参数指标，如热物理指标、围岩级别、可开挖性等级等，可见城市轨道交通岩土工程勘察也具有勘察范围广的特点[2]。 1.2受城市轨道交通地质方面决定的特点 城市轨道交通工程的性能决定，线路通常要跨越多个地质单元，这
要求相对应的岩土工程勘察要以地质单元为单位进行物理力学参数统计，以此保证勘查结果的准确性和可信度。而且城市轨道交通工程线路穿越不良地质发育区域的可能性较大，如沉降区、断裂带等，为保证城市轨道交通的质量，需要对不良地质的发育程度、分布状况等信息进行岩土工程勘察，可见岩土工程勘察具有针对性较强的特点[3]。城市轨道交通工程建设主要为了服务城市居民，所以其线路和建筑主要分布在城市，必然要受到城市地址特点的影响，如城市人工填土分布较强，所以填土的成分、分布等相对复杂。 1.3受城市轨道交通工程环境方面决定的特点 现阶段城市轨道交通主要应用于大都市，而大都市环境具有地下人防工程规模大且分布广泛，地下管线分别复杂切不确定因素较多，对工程事故敏感性较强，对施工的文明程度要求较高，地标建筑物密集且结构复杂等方面的特点，例如城市人类活动复杂，地下存在防空洞、古井、管线等概率更大等，所以城市轨道交通工程在施工的过程中对工程自身及周边环境的安全要予以高度关注，为满足城市地质勘察的实际需要，在勘察的过程中所选择的方法更强调综合性和专项性，所以城市轨道交通岩土工程勘察具有专业性强的特点，这要求岩土工程勘察也必须对工程环境予以专项的勘察，而且勘察的难度大幅提升，可见城市轨道交通岩土工程勘察具有难度大的特点。 2城市轨道交通岩土工程勘察风险特点及其控制措施 2.1风险特点
卫星的运动 卫星相关参数,摄动力,星历,卫星位置的计算
卫星的轨道 ?一、基本概念：轨道；卫星轨道参数；正常轨道；摄动轨道 ?二、卫星的正常轨道及位置的计算 ? 1.开普勒三定律 ? 2.三种近点角 ? 3.卫星轨道六参数 ? 4.卫星的在轨位置计算 1.开普勒（Johannes Kepler）三定律 ?开普勒第一定律 人造地球卫星的运行轨道是一个椭圆，均质地球位于该椭圆的一个焦点上。 ?开普勒第二定律 卫星向径在相同时间内所扫过的面积相等。 ?开普勒第三定律 卫星环绕地球运行的周期之平方正比于椭圆轨道长半轴的立方。 2.三种近点角 ?真近点角 当卫星处于轨道上任一点s时，卫星的在轨位置便取决于sop角，这个角就被称为真近点角，以f表示。 ?偏近点角 若以长半轴a做辅助圆，卫星s在该辅助圆上的相应点为s’，连接s’o’，s’o’p
角称为偏近点角，以E表示。 ?平近点角 在轨卫星从过近地点时元t p开始，按平均角速度n0运行到时元t的弧，称为平近点角。
3.卫星轨道六参数 ?长半轴（a）—— 卫星椭圆轨道的长半轴； ?偏心率（e）—— 卫星椭圆轨道的偏心率，是焦距的一半与长半轴的比值； ?真近点角（f）——在椭圆轨道上运行的卫星S，其卫星向径OS与以焦点O指向近地点P的极轴OP的夹角。 ?轨道平面倾角（i）—— 卫星轨道平面与天球赤道平面的夹角； ?升交点赤经（Ω）—— 升交点（N），是由南向北飞行的卫星，其轨道与天球赤道的交点。地球环绕太阳公转的一圈中有一个点（即日历上表示的春分时间），它反映在天球赤道平面上的固定位置，叫做春分点。升交点赤经是春分点轴向东度量到升交点的弧度； ?近地点角距（ω）—— 是由升交点轴顺着卫星运行方向度量到近地点的弧长.
自动控制原理实验-卫星三轴姿态控制系统
自动控制理论实验 报告人： 赵振根 02020802班 2008300597
卫星三轴姿态飞轮控制系统设计 一：概述 1.1．坐标系选择与坐标变换 在讨论卫星姿态时，首先要选定空间坐标系，不规定参考坐标系就无从描述卫星的姿态，至少要建立两个坐标系，一个是空间参考坐标系，一个是固连在卫星本体的星体坐标系。在描述三轴稳定对地定向卫星的姿态运动时，一般以轨道坐标系为参考坐标系，还有星体坐标系。 （1） 轨道坐标系o o o O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，o O X 轴在轨 道平面上与o OZ 轴垂直，与轨道速度方向一致，o OZ 轴指向地心，o O Y 轴垂直于轨道平面并构成右手直角坐标系 （2） 星体坐标系b b b O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，b O X ，b O Y ，b OZ 固连在星体上，为卫星的三个惯性主轴。其中b O X 为滚动轴， b O Y
为俯仰轴， OZ为偏航轴。 b 1.2 飞轮控制系统在卫星三轴姿态控制中的应用与特点 长寿命，高精度的三轴姿态稳定卫星，在轨道上正常工作时，普遍采用角动量交换装置作为姿态控制系统的执行机构。 与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的有点：(1)飞轮可以给出较为精确地连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作为非线性开关控制，因此轮控系统的精度比喷气推力器的精度高一个数量级，而姿态误差速率也比喷气控制小。(2)飞轮所需要的能源是电能可以不断地通过太阳能电池在轨得到补充，因而适用于长寿命工作，喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因而寿命大大受限。(3)轮控系统特别适用于克服周期性扰动。(4)轮控系统能够避免热推力器对光学仪器的污染。 然而，轮控系统在具有以上优越性的同时，也存在两个主要问题，一是飞轮会发生速度饱和。当飞轮朝着一个方向加速或偏转以克服某一方面的非周期性扰动时，飞轮终究要达到其最大允许转速。二是由于转速部件的存在，特别是轴承寿命和可靠性受到限制。 1.3 飞轮姿态控制原理 从动力学角度看，卫星姿态运动时卫星角动量作用的结果，飞轮则是通过与卫星间的角动量的交换来实现姿态控制，要使卫星在轨道上保持三轴稳定并对地定向。卫星的角动量H应该不变，且方向与轨
城市轨道交通线路特点的研究
城市轨道交通线路特点的研究 【摘要】本文主要探究的就是重庆市市域轨道交通线的特点，在重庆市轨道建设在一定的程度上可配合和引导城市不断的发展，进一步的满足以及方便城市客运交通过程中的相关需求，在一定的程度上对城市轨道交通的整体网络进行有效的优化。 【关键词】城市轨道；线路特点；特点研究 引言 随着重庆市城市轨道交通的不断快速发展，很多不同种类城市轨道交通的线路并行建设以及运营，把在城市交通网络中形成了超长的线路。这样的超长线路城市轨道交通也称之为城市快速轨道交通（本文主要是简称为R线）。 1.研究的背景 针对重庆市结构在发展的过程中，主要是由单中心开始向多中心进行过渡。R线特殊的服务范围能够在一定的程度上满足了这一发展的需要。针对一些发达国家大城市而言，在大多数的情况下，都是应用R线对城市交通问题进行有效的解决，并且进一步的支持城市的发展。例如：纽约、法国的巴黎、伦敦、东京、莫斯科等这些国家都有发达的R线。它们是城市交通系统中比较重要的一部分，和地铁、轻轨一起构筑起城市交通的主骨架，不仅引导了城市的发展，还进一步的促使城市的布局变得比较合理化。 随着我国重庆城市化进程在不断的发展，在一定的程度上对产业结构进行有效的调整、对城市区域进行进一步的扩大，在形成城市的主中心区方面和副中心区方面、发展卫星城镇等方面重新规划城市。在这个相对来说比较重要的历史阶段，一定要进一步的规划出以及建设出相应的轨道交通，这不仅是加快城市发展的重要手段，同时也是城市发展的必要条件之一。为了进一步的适应城市发展的需要，R线的发展以及规划也不断的提上日程。 2.R线相关的一些概念和分类 在一定的程度上对国内外城市轨道交通网络进行不断的分析和探究，可以进一步的发现，各国对R线的概念也是不相同的，其表现形式也是不同的。法国的巴黎将其定义为RER、日本将其定义为JR、德国将其定义为S-Balm，而美国纽约则为通勤铁路。但是在大多数的情况下，都是以完成市区的连接功能以及郊区的连接功能，进一步的将市中心内轨道交通线路进行有效的区分。R线在一定的程度上主要指的就是能够在整个市域范围内，进一步的提供快速到达城市各主要集散点服务的主要轨道交通线。该类服务能够积极的配合城市，并让其在一定的程度上朝着多中心的方向发展，同时还可以与城市的对外交通设施进行有效的衔接，该级网络也会在一定的程度上成为城市轨道网络的主要骨架。
卫星星历计算和轨道参数计算编程实习(精)
专业:地图学与地理信息工程(印刷 班级:制本49—2 学号:3272009010 姓名:张连杰 时间:2012/9/21 一、概述 在C++6.0中建立基于单文档的MFC工程,利用简洁的界面方便地由卫星轨道根数计算卫星的实时位置和速度,并可以根据卫星的星历反求出卫星轨道根数。 二、目的 通过卫星编程实习,进一步加深理解和掌握卫星轨道参数的计算和卫星星历的计算方法,提高编程能力和实践能力。 三、功能 1、由卫星位置与速度求取卫星轨道参数; 2、由卫星轨道参数计算卫星星历。 四、编程环境及工具 Windows7环境,VC++6.0语言工具 五、计划与步骤 1.深入理解课本上的星历计算方法和轨道根数的求取方法,为编程实习打下算法基础; 2.学习vc++对话框的设计和编程,解决实习过程中的技术难题;
3.综合分析程序的实现过程,一步步编写代码实现。 六、程序异常处理 1.在进行角度转换时候出现的问题导致结果错误。计算三角函数时候先要把角度转换成弧度进行计算,最后输出结果的时候需要再把弧度转换回角度输出。 2.在计算omiga值得时候的错误。对计算出的omiga值要进行象限的判断,如果不符合条件要加或减一个周期pi(因为是反正弦函数。 七、原创声明 本课程设计报告及相应的软件程序的全部内容均为本人独立完成。其间,只有程序中的中间参量计算值曾与同学共同讨论。特此声明。 八、程序中的关键步骤和代码 1、建立基于单文档的名字为TrackParameter的MFC工程。 2、在资源视图里面增加一个对话框改属性ID为IDD_DIALOG1,在新的对话框IDD_DIALOG1上面添加控件按钮,并建立新的类CsatelliteDlg. 3、在菜单栏里面添加菜单实习一,并添加命令响应函数OnMenuitem32771(,在该函数中编写代码 CsatelliteDlg dlg; dlg.DoModal(; 这样执行时候调出对话框satelliteDlg. 4.在对话框satelliteDlg中的OK按钮的消息响应函数中添加相关赋值和公式计算代码。 5.按照以上步骤设计实习二。
城市轨道交通特征论述
城市轨道交通特征论述 [摘要] 随着我国城市化进程的加快，城市人口和机动车的快速增加已大大超过城市交通基础设施的最大承受能力，城市交通问题已经严重影响城市功能的发挥和城市的可持续发展。本文深入分析了影响轨道交通特征的主要因素，为今后我国大规模的轨道交通建设提供服务。 [关键词] 轨道交通线路类型线路结构地铁轻轨 1.城市轨道交通的概念 现在国内在轨道交通概念方面存在诸多的混淆，比如认为地铁必定是在地下行驶的交通工具，却不知国外地铁有的部分在地面、甚至在高架行走。而我国现在地铁几乎是全地下结构，导致成本居高不下，如广州市地铁1号线，建设成本高达8～9亿元/km！轨道交通特征和概念的模糊不清可能会影响我国新的交通设施的规划、建设和营运，不仅造成重大经济损失，而且影响城市的健康发展。 快速轨道是城市地下铁道、轻型轨道交通、单轨交通、有轨电车、新交通、高速磁浮列车和市郊列车等城市轨道交通的统称。其共同特点是：运量大、速度快、安全可靠、准点舒适，可以在地面、高架和地下、半地下的轮轨上行驶。轮轨系统一般有钢轮一钢轨系统和胶轮一混凝土轨系统两大类，世界上轨道交通主要以钢轮一钢系统为主，我国也不例外。轨道交通通常以电力驱动，一架空线网受电或第三轨受电，自动或人工操作控制。城市轨道交通的站距一般在市区1km 左右，在郊区2km左右。但是，城市或区域之间的高速铁路站距较大，否则达不到200km/h以上的运行速度。 地铁，是地下铁道的简称，别名有地下铁、重轨、快速轨道、大都市铁路。地铁可以在地面、高架和地下运行。地铁是大容量的客运工具，高峰单向容量为3～7万人次/h，量大运行速度达120km/h，平均营运速度为30～45km/h，这与站距有关。地铁需要道路完全隔离和封闭，从而确保了快速和准时，但线路一旦建成，更改非常困难，只能考虑延长线。地铁由于建设成本非常高昂，一般由市政当局或公共公司所拥有。地铁的信号和控制系统很复杂，用以满足地铁的快速和发车时间间隔。车站一般比较宽敞，高站台、有电动扶梯，有利于乘客上下地面。地铁一般位于城市核心区或城市内环路之内。 轻轨是轻型轨道交通的简称，是由原来的有轨电车演变而来的。1978年3月在布鲁塞尔召开和第一届国际轻轨交通会议上统一了轻轨的称谓，英文简写LRT，认为轻轨交通的荷载比地铁和常规列车轻。根据轻轨定义，独轨交通、新交通系统、轻轨地铁、轻型快速交通、高架线性系统等都属于轻轨范畴。轻轨线路有地面、高架和地下线，地下线比较少见。轻轨建设成本为地铁的1/3～1/5。轻轨一般位于城市内环路之外。 市郊铁路担负着大城市市区与郊区卫星城镇或社区之间的客运联系，一般与
姿态控制与轨道控制系统
姿态控制与轨道控制系统 姿态控制 概述 姿态是指卫星相对于空间某参考系的方位或指向，卫星姿态控制是获取并保持卫星在太空定向（即卫星相对于某个参考坐标系的姿态）的技术，包括姿态稳定和姿态控制两个方面。前者要求将卫星上安装的有效载荷对空间的特定目标定向、跟踪或扫描，这种克服内外干扰力矩使卫星姿态保持对某参考方位定向；后者是把卫星从一种姿态转变为另一种姿态的再定向过程。其硬件系统包括敏感器、控制器和执行机构三个部分 卫星姿态控制可以分为被动和主动控制两大类，以及介于两者之间的半被动和半主动控制 被动控制利用卫星本事动力学特性（如角动量、惯性矩），或卫星与环境相互作用产生的外力矩作为控制力矩源。 主动控制利用星上能源（电能或推进剂工质），依靠直接或间接敏感到的姿态信息，按一定的控制律操纵控制力矩器实现姿态控制。任务分析 本卫星旨在对于钓鱼岛及其附近海域的侦查探测，并将信息汇总传送回地面接收站，三颗卫星先要共同工作，后期又分开观测，对于整体的姿态控制和分开后各个个体的控制都有很高的要求。考虑到卫
星形状与对地观测要求，对其采用对地定向三轴稳定的设计方案，以质心轨道坐标系作为其参考坐标系。为保证空间方位和姿态确定的精度要求，使用多传感器的设计，并通过飞轮三轴姿态控制辅助以喷气推力姿态稳定的手段加速姿态修正速度。 姿态控制原理 姿态控制：指对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。包括姿态稳定和姿态机动。 姿态稳定：指使姿态保持在指定方向。 姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。 航天器姿态控制类型包括： 主动控制：星上有主动控制力矩产生机构。主动姿态控制首先需要获得航天器当前的姿态。 被动控制：利用环境力矩产生控制力矩。 姿态获得包括两个过程： 姿态测量：利用姿态敏感器获取含有姿态信息的物理量。 姿态确定：对姿态测量得到的物理量进行数据处理，获得姿态数据。 姿态控制系统包括姿态敏感器和执行机构。 姿态敏感器：测量星体相对于某一基准方位的姿态信息。 姿态敏感器分类（按照基准方位分类）: （1）以地球为基准方位：红外地平仪、地球反照敏感器
SimuLink卫星姿态控制_运动学模块的建立
四元数姿态运动学方程：（见《基于星敏感器角速度估计的陀螺故障诊断》） ()b b b b b b o o o ob o ib o io 11C 22 ? =?=?-Q Q w Q w w 其中b o Q 表示星体坐标系b 相对于轨道坐标系o 的姿态四元数在体坐标系b 中的投影（在星 体坐标系中轨道坐标系o 转到与星体坐标系b 重合（与后面的姿态坐标转换矩阵对应）所 需的姿态四元数）；?表示四元数乘法；b ob w 表示星体坐标系b 相对于轨道坐标系o 的角速度在b 坐标系中的投影；b ib w 表示体坐标系b 相对于惯性坐标系i 的角速度在b 坐标系中的投影，由动力学模块给出；b o C 表示o 系到b 系的坐标转换矩阵，由四元数Q 计算得到；o io w 表示轨道坐标系o 相对于惯性坐标系i 的角速度在o 坐标系中的投影，该角速度在轨道坐标系中表示简单，该值在m 文件中给出。 利用运动学方程画运动学模块图如下： 建立四元数转姿态矩阵模块： 用mask 修改模块封面。
依照下面的转换公式，使用Fcn 模块和Create3*3 Matrix 模块建立四元数转换模块如下： 2222103212031302b T 22222 o 01203203123012222130223013012q q q q 2(q q q q )2(q q q q )C (q )2(q q q q ) q q q q 2(q q q q )2(q q q q )2(q q q q ) q q q q ?? +--+-?? =+-=-+--+?? ??+-+--? ? qq E q 建立四元数求解模块： 使用Subsystem 模块建立Quaternion Solve Model ，并create mask 如下：
计算卫星位置的程序
计算卫星位置 一、C语言程序 #include
城轨道交通复习试题汇总
城市轨道交通系统是集多工种、多专业于一体的复杂系统。那么 1. 城市轨道交通系统是由哪些基础设备和子系统所构成的? 答：城市轨道交通系统是由多个分别完成不同功能的子系统所构成的，包括线路、车辆、车站三大基础设备和电气、运行和信号等控制系统。 城市轨道交通线路是城市轨道列车运行的道路设施，是城市轨道 2. 交通系统的基本组成部分。那么轨道交通线路按其在运营中的地位和作用如何进行分类？ 答：可划分为①正线（用于运营线路，即乘客搭乘的线路）、②辅助 线（用于辅助正线运营的线路，如渡线、临时停车线、折返线等）和车场线（主要在车辆段和停车库的线路，如检修线、出入库线、试车线、洗车线等）。 钢轨是轨道的主要组成部件。它的功用在于引导机车车辆的车轮 3. 前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。那么钢轨自身是由哪几部分组成的？ 答：轨道断面形状主要为工字形，由轨头、轨腰、轨底三部分组成。 城市轨道交通的轨枕置于钢轨之下，是轨道重要的组成部分。轨 4. 枕的需要量较大,因此,原材料应资源丰富,价格适中。那么轨枕的主要功能是什么？按制造材料如何分类？
答：轨枕是轨道的基础部件，其功能是支撑钢轨，保持轨距和方向，并将钢轨对它的各向压力传递到道床上。按制造材料可分为木枕、1 / 15 混凝土枕及钢枕3种。 5. 为保证行车安全，凡接近轨道的各种建筑物及设备，必须与线路保持一定的距离，同时对在轨道上运行的机车车辆的断面尺寸，也有一定规定。为此，制订了限界。那么限界一般分为哪几种？根据不同限界的要求，车辆受电弓限界属于哪种限界类型？ 答：①限界可分为车辆限界、设备限界和建筑限界。 受电弓限界或受流器限界是车辆限界的组成部分，接触轨限界则属②于设备限界的内容。 6. 城市轨道交通的供电电源要求安全可靠，通常由城市电网供给。目前，国内各城市对城市轨道交通的供电方式有哪些？其特点？ 答：集中式：城市电网向轨道专用主变电所供电，主变电所再向牵引变电所供电； 分散式：城市电网分别向轨道沿线各牵引变电所供电； 混合式：两种供电方式相结合。 7. 地铁区间隧道目前有多种设计方案，每种形式各有优缺点，在设计中需根据不同的地质条件、线路埋深和周边环境加以选择。试说明主要有哪几种区间隧道结构？ 答：①明挖法隧道结构形式（方法简单、施工风险小、工程进度快、
C语言计算GPS卫星位置
C 语言计算G P S 卫星位置 1 概述 在用GPS 信号进行导航定位以及制订观测计划时，都必须已知GPS 卫星在空间的瞬间位置。卫星位置的计算是根据卫星电文所提供的轨道参数按一定的公式计算的。本节专门讲解观测瞬间GPS 卫星在地固坐标系中坐标的计算方法。 2 卫星位置的计算 1. 计算卫星运行的平均角速度n 根据开普勒第三定律，卫星运行的平均角速度n0可以用下式计算： 式中μ为WGS-84坐标系中的地球引力常数，且μ=3.986005×1014m 3/s 2。平均角速度n 0加上卫星电文给出的摄动改正数Δn ，便得到卫星运行的平均角速度n n=n 0+Δn (4-12) 2. 计算归化时间t k 首先对观测时刻t ′作卫星钟差改正 t=t ′-Δt 然后对观测时刻t 归化到GPS 时系 t k =t-t oc (4-13) 式中t k 称作相对于参考时刻t oe 的归化时间（读者注意：toc ≠toe ）。 3. 观测时刻卫星平近点角M k 的计算 M k =M 0+n tk (4-14) 式中M 0是卫星电文给出的参考时刻toe 的平近点角。 4. 计算偏近点角E k E k =M k +esinE k (E k ,M k 以弧度计) （4-15） 上述方程可用迭代法进行解算，即先令E k =M k ,代入上式，求出E k 再代入上式计 算，因为GPS 卫星轨道的偏心率e 很小，因此收敛快，只需迭代计算两次便可求得偏近点角E k 。 5. 真近点角V k 的计算 由于:
因此: 6．升交距角Φk 的计算 ω为卫星电文给出的近地点角距。 7. 摄动改正项δu,δr,δi 的计算 δu,δr,δi 分别为升交距角u 的摄动量，卫星矢径r 的摄动量和轨道 倾角i 的摄动量。 8. 计算经过摄动改正的升交距角u k 、卫星矢径r k 和轨道倾角i k 9. 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标 卫星在轨道平面直角坐标系（X 轴指向升交点）中的坐标为 10. 观测时刻升交点经度Ωk 的计算 升交点经度Ωk 等于观测时刻升交点赤经Ω（春分点和升交点之间的角距）与 格林泥治视恒星时GAST （春分点和格林尼治起始子午线之间的角距）之差， Ωk =Ω-GAST （4-23） 又因为: tk oe Ω+Ω=Ω (4-24) 其中Ωoe 为参与时刻t oe 的升交点的赤经； Ω 是升交点赤经的变化率，卫星电文每小时更新一次Ω和t oe 。 此外，卫星电文中提供了一周的开始时刻t w 的格林尼治视恒星时GAST w 。由于 地球自转作用，GAST 不断增加，所以: GAST=GAST w +ωe t （4-25） 式中ωe ×10-5rad/s 为地球自转的速率；t 为观测时刻。 由式（4-24）和（4-25），得: 由（4-13）式，得: 其中0oe w GAST Ω=Ω-，o Ω、Ω、oe t 的值可从卫星电文中获取。 11. 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标
卫星姿态
卫星姿态 卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行所处的空间指向状态。直角坐标系的原点置于星体上，指向地面的Z轴反映偏航方向，Y轴反映俯仰方向，X轴反映滚动方向，通常采用三轴稳定、自旋稳定、重力梯度稳定等方式保持姿态的稳定。根据对卫星的不同工作要求，卫星姿态的控制方法也是不同的。按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置，可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。被动姿态控制是利用卫星本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法，有自旋稳定、重力梯度稳定等；主动姿态控制主要是三轴稳定姿态控制方式。 定义：卫星星体所处的空间位置状态 稳定方式：自旋/重力梯度/三轴稳定 分类：被动姿态控制，主动姿态控制 定义 卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行所处的空间指向状态。将直角坐标系的原点置于星体上，指向地面的Z轴反映偏航方向，Y轴反映俯仰方向，X轴反映滚动方向。星体在高空中沿局部地球铅垂方向和轨道矢量方向运行，不时地产生对三轴的偏移。姿态控制是通过姿态控制分系统（ACS）来实现，使用地平扫描仪可感应俯仰和滚动轴的姿态误差，使用速度陀螺仪和罗盘可感应偏航轴的姿态误差。 姿态控制方式 姿态的稳定通常采用以下几种方式：①三轴稳定。依靠姿态控制分系统使卫星偏航轴方向始终保持与当地铅垂线方向一致，以保对地观测传感始终对准地面；②自旋稳定。卫星自转轴对空间某点取向固定，使其姿态保持稳定；③重力梯度稳定。在地球重力场作用下，转动物体的转轴逐渐达到平衡状态，与重力梯度方向一致，即同当地垂直线方向一致，以保持卫星姿态的稳定。 根据对卫星的不同工作要求，卫星姿态的控制方法也是不同的。按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置，可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。 被动姿态控制： 被动姿态控制是利用自然环境力矩或物理力矩源，如自旋、重力梯度、地磁场或气动力矩等以及他们之间的组合来控制航天器的姿态。这种系统不需要电源，因而也不需要姿态敏感器和控制逻辑线路。主要类型有自旋稳定和环境力矩稳定等。适用于中等指向精度的飞行任务。一般试验性小卫星采用这种控制方式。 [2] 1、自旋稳定方式 有的卫星要求其一个轴始终指向空间固定方向，通过卫星本体围绕这个轴转动来保持稳定，这种姿态稳定方式就叫自旋稳定。它的原理是利用卫星绕自旋轴