空间飞行器动力学与控制
航天器姿态动力学与控制(哈尔滨工业大学) ——李立涛

第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
不变平面和不变线的定义 Poinsot椭圆在不变平面上的无滑动滚动
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
推力倾斜的自旋航天器
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
带有姿控推力器的自旋航天器
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
美国探险者一号卫星
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
Cz
C S
SC SC S
C S SSC CC
S S SCC
CS
S
CC
tan
1
C21 C22
sin1 C23
tan
1
C13 C33
有能量耗损时的本体极迹
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
一般准刚体的姿态动力学模型
x
Iy Iz Ix
yz
Mx Ix
T
(Ix
I
2 x
x / Iz )x2 (I y
I
2 y
/ Iz )y2
y
Iz Ix Iy
xz
My Iy
T
(Ix
I
2 x
y / Iz )x2 (I y
Cba Cz Cx Cz SC CC S
S S
CS SCC SS CCC
S C
SS
C
S
C
tg
1
C31 C32
飞行力学与飞行控制讲稿-1

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三、飞机的主要组成部分及其功能
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机翼 :产生升力 ,机翼上一般有用于横向操纵 的副翼和扰流片;机翼前后缘部分还设有各种 形式的襟翼,增加升力 尾翼:水平尾翼和垂直尾翼;V型尾翼;水平尾 翼一般有水平安定面和升降舵组成;垂直尾翼 一般有垂直安定面和方向舵组成;超音速飞行 时通常采用全动水平尾翼(差动);鸭翼 机身:容纳人员、货物或其他载重和设备;要 求流线;飞翼式飞机取消机身。 起落架:起飞降落(机轮、滑撬、浮桶)
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半机体坐标系Oxbybzb :O在质心, Oxb沿飞 行速度矢量V在飞机对称平面投影方向, Oyb在对称平面内,垂直于Oxb向上(因而 与 Oyq 重 合 ) , Ozb 垂 直 于 飞 机 对 称 平 面 (与轴Ozt重合)。
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图2-2
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操稳性差)
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中间层 从平流层顶延伸到大约80km(空气有 相当激烈的垂直运动)
热层 从中间层顶延伸到大约800km(空气非 常稀薄,电离层影响飞行器的无线电通讯)
逃逸层(外大气层) 热层以上(空气极其稀 薄,地球引力很小,航天器脱离此层后便进入 太空飞行)
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飞行器的分类:航空器、航天器、火箭和导弹
飞机飞行力学与飞行控制
艾剑良教授
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第一章 绪论
一、飞行器的基本概念
飞行器——在大气层内或大气外层外空间(太 空)飞行的器械
大气飞行环境
对流层(低纬度地区16-18km;中纬度地区1012km;高纬度地区8-9km) (气候现象复杂)
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第1课-绪论

“礼炮1号”空间站
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1981年4月,世界上第一 架垂直起飞、水平着陆、可 重复使用的美国航天飞机 “哥伦比亚号”试飞成功, 标志着航天运载器由一次性 使用的运载火箭转向重复使 用的航天运载器的新阶段, 标志着人类在空间时代又上 了一层楼,进入了航天飞机 时代。
美国“哥伦比亚号”航天飞机
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
人类自20世纪60年 代开始探测火星的尝试。 大约半数火星探测任务 成功。 2008年05月25日 , 美国“凤凰”号火星探 测器成功降落在火星北 极区域,其核心任务是 寻找水和生命痕迹。 2008年11月,凤凰 号与地面控制中心失去 联络。
“凤凰”号挖掘臂挖掘火星土壤的情景
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1988年11月15日,前苏联的暴风雪号航天飞机从 拜科努尔航天中心首次发射升空,47分钟后进入距 地面 250公里的圆形轨道。它绕地球飞行两圈,在 太空遨游三小时后,按预定计划于 9时25分安全返 航,准确降落在离发射点12公里外的混凝土跑道上, 完成了一次无人驾驶的试验飞行。
“水手2号”探测器
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1966年1月,前苏联两艘载人飞船第一次在轨道上成功 交会对接,并实现了两位航天员从一艘飞船向另一艘飞船 的转移。
前苏联“联盟号”载人飞船
前苏联“上升号”载人飞船
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1971年4月19日,前苏联“礼炮1号”空间站入 轨成功,其质量约18t,总长14m,轨道高度200~ 250 km,轨道倾角51.6º ,成为人类第一个空间站。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
13~14世纪,中国的火箭技术与其他火药兵器一 同传到阿拉伯国家和印度,后又传入欧洲。至18世 纪后期,印度军队在抗击英国和法国军队的多次战 争中就曾大量使用火药火箭并取得了成功结果,由 此推动了欧洲火箭技术的发展。 曾在印度作战的英国人康格里夫(William Congreve)在19世纪初对印度火箭作了改进,他确定 了黑火药的多种配方,改善了制造方法并使火箭系 列化,最大射程可达3km。这些初期火箭的原理都 成为了近代火箭技术的最初基础。
哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制空间飞行器轨道控制上课件

学生在实验室进行实际操作,完成轨道控制系统 的设计和测试,加深对理论知识的理解和应用。
3
项目实践
学生分组进行项目实践,结合实际需求进行空间 飞行器轨道控制系统的设计和实现,培养实践能 力和创新思维。
02
空间飞行器动力学基础
动力学基本概念
01
02
03
牛顿第三定律
描述了作用力和反作用力 的关系,是动力学的基本 原理。
被动控制方法
利用航天器的特殊构型或附加质量等特性,通过改变航天器的重心 位置或转动惯量等方式,实现轨道控制。
组合控制方法
将主动控制和被动控制相结合,利用各自的优势,实现更高效、精确 的轨道控制。
轨道控制应用实例
卫星轨道转移
将卫星从一个圆轨道转移到一个椭圆轨道,或从一个椭圆轨道转 移到另一个椭圆轨道,实现卫星的变轨任务。
理解空间飞行器轨道 控制的方法和策略。
课程内容
空间飞行器动力学基础
包括轨道力学、姿态动力学等。
空间飞行器控制原理
介绍控制理论在空间飞行器中的应用,如PID控制、最优控制等。
轨道控制系统设计与实践
结合实际案例,讲解轨道控制系统的设计方法、实现过程和测试技 术。
课程安排
1 2
理论授课
结合多媒体课件,系统介绍空间飞行器动力学与 控制、轨道控制的基本概念、原理和方法。
实验结果与分析
学生需要对实验结果进行分析,并得出结论。
参考文献
学生需要注明所引用的参考文献,并按照学校规定的格式进行排版。
THANK YOU
感谢观看
实验内容与要求
实验内容
学生需要掌握卫星轨道测量、控制的 基本原理和方法,通过实际操作,掌 握卫星轨道控制技术。
第一章-4 飞行动力学-飞机方程

可得
dV 1v iu jv kw dt
又有
i V p u
j q v
k r w
展开:
V i wq vr j ur wp k (vp uq )
Hale Waihona Puke F 按各轴分解,表示为:
各轴分量:
F iX jY kZ
飞机的力方程
I xy I zy 0
二、动力学方程(锁定舵面)
飞行器动力学方程可由牛顿第二定律导出
i
d 力方程: F dt (mV )
式中:F — 外力,m —飞行器质量 V —飞行器质心速度, M — 外力矩 H — 动量矩, i — 对惯性空间 依据假设1,m=常数; 依据假设2,地面为惯性系,去掉 i 得 dV
zg
-sin cos sin cos cos
表中,oxayaza为气流轴系点, oxgygzg为地轴系点 xg 设方向余弦表为矩阵Mag xa y M y 速度坐标与地轴坐标可以互相转换 ag g a T z za M ag1 M ag Mag是复共轭矩阵,满足: g 地速与空速: x V cos cos
表中,oxayaza为气流轴系点, oxyz为机体轴系点 满足关系:
xa x y M y ab a za z
T M ab1 M ab
四、飞机运动方程的线性化及分组
飞机动力学的力与力矩方程是联立的非线性方程,气动力、 气动力矩等都是运动参数的非线性函数,分析与求解方法 复杂。
x0 ,u0
导弹飞行动力学与控制21页PPT

导弹飞行力学
第一章 导弹飞行的力学环境
1.1 常用坐标系及其变换关系
1. 常用坐标系
a. 地面坐标系oxyz
坐标原点:发射点 ox轴:目标方向 oy轴:垂直向上 oz轴:与 ox 轴和 oy 轴构
成右手坐标系
y x
o
目标
发射点
z
图1 地面坐标系
目的:确定导弹的空间姿态及速度方向等,以研究导弹 质心运动的规律(弹道)
导弹飞行力学
d. 速度坐标系oxcyczc
yc
弹道 o
导弹纵轴
v
zc
坐标原点:瞬时惯性中心
oxc轴:导弹速度方向
oyc轴:导弹纵向对称面内
与 oxc 轴垂直,向
xc
上为正
ozc轴:与 oxc 轴和 oyc 轴 构成右手坐标系
图4 速度坐标系
目的:作用于导弹的气动力在该坐标系内给出
导弹飞行力学
2. 坐标变换
o
z ψc
v sinθ
x2
θ
x
ψc
x2’
v cosθsinψ c
矢量与水平平面间的 夹角,即速度矢量在 地面坐标系 oxz 平面 内的投影 ox2’ 与 ox2 轴间的夹角,由 ox2’ 逆时针转向 ox2 时为 正
z2
ψc — 弹道偏角, ox2’ 轴与
图5 弹道固连坐标系与地面坐标系间的关系
地面坐标系 ox2 轴间 的夹角,由 ox2 轴逆
导弹飞行力学
ζ — 俯仰角,导弹纵轴 ox1 与 地面坐标系 oxz 平面间的 夹角, ox1 指向地面上方 时为正
ψ — 偏航角,导弹纵轴 ox1 在 地面坐标系 oxz 平面上的 投影 ox1’ 与地面坐标系 ox 轴间的夹角,由 ox 轴逆 时针转至 ox1’ 时为正
航天器动力学与控制技术的研究与应用

航天器动力学与控制技术的研究与应用航天器动力学与控制技术是航空航天领域中非常重要的一个分支,它可以使航天器准确控制动作、稳定运行和预测运动轨迹,为实现精确的轨道控制和导航提供了坚实的技术基础。
本文将从三个方面进行探讨,分别是航天器动力学建模、动力学控制及航天器姿态控制。
一、航天器动力学建模航天器的动力学行为是指航天器在运动过程中所表现出来的各种物理现象。
在进行航天器动力学研究之前,需要先对其进行合理的建模。
航天器可以看作是一个复杂的非线性系统。
因此,在对其进行建模时需要考虑多个因素,如姿态、方向、速度等。
航天器的建模与设计需要主要考虑地球重力以及其它外部干扰等因素。
通过对这些因素进行综合考虑,可以建立起一套完整的航天器动力学模型以及控制方案。
二、动力学控制动力学控制是指利用控制理论为航天器制定控制算法的一门技术。
动力学控制的主要任务是为航天器动态行为中的各种问题提供合适的控制策略。
动力学控制的技术手段主要包括PID控制、模型预测控制、自适应控制等。
其中,PID控制是一种广泛应用于动力学控制中的算法。
它通过比较实际状态和目标状态的偏差,调整控制量,使得航天器动态行为保持稳定。
自适应控制相比PID控制具有更好的自适应性能,可以适应不同的环境变化。
模型预测控制则采用了复杂的动力学模型来进行控制,使得航天器的控制策略更加准确和可靠。
三、航天器姿态控制航天器姿态控制是指对其方向、角度、陀螺仪等信息的实时监测和调整。
航天器姿态控制通常包括三个部分:姿态检测、姿态算法和姿态控制。
其中,姿态检测是指监测航天器当前的方向、角度、陀螺仪数据等信息。
姿态算法是根据航天器的姿态信息,计算出航天器当前的姿态角度。
姿态控制是根据计算出来的姿态角度,通过控制器进行反馈调节,以保证航天器的姿态保持稳定。
航天器姿态控制是航天器动力学和控制技术的重要组成部分,它对保证航天器的安全、稳定运行和准确控制具有至关重要的作用。
结语:航天器动力学与控制技术的研究与应用,不仅是航天器设计中必须掌握的技术,也是保证航天器精确轨迹控制和姿态控制的关键技术之一。
航天器轨道动力学与控制上-马佳

监测数据
●高度 卫星必须在地平线以上 ●天光 光学测量设备或人眼观测时,天空必须足够黑 ●地影 不发光的卫星还需太阳光直接照射
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地月飞行和星际飞行
地月关系
地月系的三个运动:
●地球自转 ●地球和月球围绕公共质心 的运动 ●月球的自转
月球公转参数:
●椭圆轨道,偏心率0.0549 ●轨道面与地球赤道的夹角 18.2°—28.8° ●黄白道夹角5°9′
加权最小
广义卡尔 曼滤波
二乘法
观测数据集中处理的“批量计 算方法”。
按时间顺序对每个观测数据进 行解算的“序贯计算法”。
卫星的观测预报
概况预报
利用已有的资料,通过解算卫星运动方程,确定卫星可见段的 起止时间和最大高度。
准确预报
确定确定卫星每一时刻的高度角、方位角和卫星到激光测距仪 的距离,以便可以快速、准确的跟踪卫星。
轨道摄动
04
轨道转移
轨道转移概述
轨道转移是指航天飞行棋 在其控制系统作用下,由 沿初始轨道(或停泊轨道)
运动改变为沿目标轨道运
动的一种轨道机动。 转移轨道又称过渡轨道, 是航天器从初始轨道或停
泊轨道过渡到工作轨道的
中间轨道。
共面圆轨道发轨道转移
双脉冲变轨可以使新的轨道完 全脱离原有的轨道。 在两个共面圆轨道之间的最佳 变轨方式为霍曼变轨,其转移
卫星星食
卫星进入地球阴影的现象叫做卫星 食,在卫星食发生时,卫星上的光 电池不能供电,整形温度下降,以 太阳光为信号的敏感器失去作用。 对于静止轨道而言,卫星的星食发 生在春秋分前后各23天的午夜,每 次发生星食的时间不定,最长 72min。
返回轨道概述
返回轨道设计要求
地势平坦,交通便捷 远离城市,通信顺畅 远离高压重要设施 选择已有回收区 利用已有测控网络
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Spacecraft Dynamics and Control Teacher:Han-qing ZhangCollege of AstronauticsSpacecraft Dynamics and Control Text book:Spacecraft Dynamics andControl:A PracticalEngineering Approach/s/1o6BF32U(1) Wertz, J. R. Spacecraft Orbit and Attitude Systems, Springer. 2001(2) 刘墩.空间飞行器动力学,哈尔滨工业大学出版社,2003.(3) 章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制,北京航空航天大学出版社,2006.(4) 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用,清华大学出版社,2002。
2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control 1. IntroductionSpace technology is relatively young compared to other modern technologies, such as aircrafttechnology.In only forty years this novel domain hasachieved a tremendous level of complexity andsophistication. The reason for this is simplyexplained: most satellites, once in space, must rely heavily on the quality of their onboardinstrumentation and on the design ingenuity of the scientists and engineers.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control The desire of humans to conquer space within the solar system will surely encourage newtechnological achievements that are not yetimagined.The technical fields in which satellites are used are numerous一telecommunications, scientificresearch, meteorology, and others.According to the specific task for which they are designed, satellites may be in orbits as low as200 km or as high as 40,000 km above the earth;other spacecraft leave the earth toward planets in the solar system2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control In October 4, 1957, the former Soviet Union sent the world's first artificial satellite into space.In March 11, 1960, the United States launcheda "pioneer" detector,and it was known as thefirst deep-space probe.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 12, 1961,the former SovietUnion successfullylaunched the firstmanned spacecraft. 尤里·加加林Spacecraft Dynamics and ControlIn March 1965, the former Soviet Union realized the first human spacewalk.“上升号”载人飞船2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn January 1966, two spacecrafts completed the rendezvous and docking successfully for the first time in the former Soviet Union .“联盟号”飞船2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn July 1969, the United States landed on the moon for the first time.N.A.阿姆斯特朗E.E.奥尔德林2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 19, 1971, the first space station was built successfully with regard to the former Soviet.“和平号”轨道空间站2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 1981, the first space shuttle had the successful test flight.“哥伦比亚号”航天飞机首飞记录片2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlFengYun22014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control北斗导航试验卫星定位原理图2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Satellites may be very heavy: an inhabited space station, for example, could weigh severaltons or more. There also exist very light satellites, weighing 20 kg or less. Small satellites may berelatively cheap.Despite their differences, satellites possess fundamental features that are common to all. The physical laws that govern their motion in spaceand their dynamics are the same for all spacecraft.Hence, the fundamental technologies that evolved from these laws are common to all.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlA satellite's life begins with the specificbooster transferring it to some initial orbit,called a transfer orbit, in which the satellite is already circling the earth.For a satellite that will stay near earth, the next stage will be to "ameliorate" theorbit. This means that the satellite must bemaneuvered to reach the precise orbit forwhich the satellite was designed to fulfill its mission.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Next, the satellite's software must check for the proper functioning of itsinstrumentation and its performance inspace, as well as calibrate some of theinstruments before they can be used tocontrol the satellite.The final stage is the one for which the satellite was designed and manufactured.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Understanding the meaning of each stage will help one to understand the infrastructure of thecontrol system of any satellite.Throughout the text, the terms "satellite" and "spacecraft" (s/c for short) will be usedinterchangeably. The terms "geosynchronous"and "geostationary" will be used interchangeably to describe the orbit of a satellite whose period can be made exactly equal to the time it takes theearth to rotate once about its axis.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlA geosynchronous communications satellitewill be described in its different life stages. Acommon, medium-sized satellite is good example.Satellite of this type consist of the following main structural parts.(1) A central body consisting of a cubelikestructure.(2) Solar arrays extended in the N-S direction.(3) An antenna tower directed toward theearth.(4) Controllers(such as reaction thrusters)and attitude sensors(such as sun sensors).2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAttitude and orbit control systemThe attitude and orbit control system (AOCS) may include:(1) A reaction bipropellant (反应双组元)thrustsystem.(2) Two momentum wheels (one redundant).2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control(3) Two infrared horizon sensors. (one operating andone redundant)(4) Four fine sun sensors. (two redundant)(5)Twelve coarse sun sensors for safety reasons. (sixredundant)(6)Two three-axis coarse rate gyros(陀螺仪).(7)Two three-axis integrating gyros.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Much of the control hardware is redundant in order to guarantee a reliable control systemdespite potential hardware failures.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlMission sequenceSequence for injecting a satellite into the geostationary orbit.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlFirst is the launch into ageosynchronous transfer orbit(GTO).(地球同步转移轨道)withperigee and apogee (low and highaltitude) of 200 km and 35,786km, respectively.This is followed by the transferfrom GTO to geostationary orbit(GEO)(地球同步静止轨道),whereperigee and apogee both are35,786 km and the orbitinclination and eccentricity areclose to null.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlNext is the preparationand calibration of theAOCS.(姿态和轨道控制系统)GEO mission can start,followed by the actualGEO mission stage.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAfter separation from the launcher, the satellite is commanded into a sun acquisition mode with the -X B axis pointing toward the sun. After completion of this stage, the solar panels are partially or fully deployed. If fully deployed, They can be rotated about their axis of rotation toward the sun in order to maximize power absorption.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe satellite stays in this cruise mode until the first apogee boost motor (ABM) orbit is approached. In the first and the subsequent ABM orbits, several hours before the ABM firing at the apogee, the gyros' calibration maneuvers are initiated.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlLess than an hour before any ABM firing, earth acquisition is initiated with the +Z B axis now pointed toward the earth, followed by preparation for the ABM firing stage.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAfter ABM firings ranging from several to more than 30 minutes, the satellite is commanded to GTO cruise. After the last ABM firing, the satellite life is prepared for GEO operation.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn the first GEO, earth acquisition is performed, meaning that the +Z B axis of the satellite is directed toward the earth center of mass, thus allowing the normal GEO cruise.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe momentum wheel is spun to its nominal angular velocity to provide momentum bias attitude control. The orbit is then corrected for any remaining inaccuracies in inclination and eccentricity.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe satellite orbit dynamics and controlThe classical equations of motion of ideal Keplerian orbits.The basic orbital control concepts including control and station keeping of satellites.The attitude dynamics and controlThe basic equations of rotational motion about some axis through its center of mass.Single-and Dual-spin stabilization.The attitude stabilization and maneuvering ofspacecraft stabilized in three axes.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control。