航天器控制：航天器轨道机动控制
航天器制导及控制课后题答案(西电)
1.3 航天器的基本系统组成及各部分作用？ 航天器基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。有效载荷:用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。保障系统:用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止, 星上所有分系统的正常工作。 1.4 航天器轨道和姿态控制的概念、内容和相互关系各是什么? 概念：轨道控制：对航天器的质心施以外力, 以有目的地改变其运动轨迹的技术; 姿态控制：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。内容：轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度, 有时也称为空间导航, 简称导航; 轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标, 对质心施以控制力, 以改变其运动轨迹的技术, 有时也称为制导。姿态控制包括姿态确定和姿态控制两方面内容。姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向( 可称为参考方向)上定向的过程, 它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向, 而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。关系：轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求。也就是说, 当需要对航天器进行轨道控制时, 同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中, 可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求, 而对航天器的姿态却有要求。 1.5 阐述姿态稳定的各种方式, 比较其异同。 姿态稳定是保持已有姿态的控制, 航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。自旋稳定:卫星等航天器绕其一轴(自旋轴) 旋转, 依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制, 来修正自旋轴指向误差。三轴稳定: 依靠主动姿态控制或利用环境力矩, 保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。 1.6主动控制与被动控制的主要区别是什么? 画出星—地大回路控制的结构图。 主动控制与被动控制的主要区别是航天器的控制力和力矩的来源不同。被动控制:其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供, 不需要消耗星上能源。例如利用气动力或力矩、太阳辐射压力、重力梯度力矩，磁力矩等实现轨道或姿态的被动控制, 而不消耗工质或电能。主动控制:包括测量航天器的姿态和轨道, 处理测量数据, 按照一定的控制规律产生控制指令, 并执行指令产生对航天器的控制力或力矩。需要消耗电能或工质等星上能源, 由星载或地面设备组成闭环系统来实现。
航天器制导与控制课后题答案(西电)
航天器制导与控制课后题答案(西电) 1.3 航天器的基本系统组成及各部分作用？ 航天器基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。有效载荷:用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。保障系统:用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止, 星上所有分系统的正 常工作。 1.4 航天器轨道和姿态控制的概念、内容和相互关系各是什么? 概念：轨道控制：对航天器的质心施以外力, 以有目的地改变其运动轨迹的技术; 姿态控制：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。内容：轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度, 有时也称为空间导航, 简称导航; 轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标, 对质心施以控制力, 以改变其运动轨迹的技术, 有时也称为制导。姿态控制包括姿态确定和姿态控制两方面内容。姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向( 可称为参考方向)上定向的过程, 它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向, 而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。关系：轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求。也就是说, 当需要对航天器进行轨道控制时, 同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中,
可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求, 而对航天器的姿态却有要求。 1.5 阐述姿态稳定的各种方式, 比较其异同。 姿态稳定是保持已有姿态的控制, 航天器姿态稳定方式按航天 器姿态运动的形式可大致分为两类。自旋稳定:卫星等航天器绕其一轴(自旋轴) 旋转, 依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制, 来修正自旋轴指向误差。三轴稳定: 依靠主动姿态控制或利用环境力矩, 保持航天器本体三条正交轴线在 某一参考空间的方向。 1.6主动控制与被动控制的主要区别是什么? 画出星—地大回路控制的结构图。 主动控制与被动控制的主要区别是航天器的控制力和力矩的来 源不同。被动控制: 其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供, 不需要消耗星上能源。例如利用气动力或力矩、太阳辐射压力、重力梯度力矩，磁力矩等实现轨道或姿态的被动控制, 而不消耗工质或电能。主动控制: 包括测量航天器的姿态和轨道, 处理测量数据, 按照一定的控制规律产生控制指令, 并执行指令产生对航天器的控 制力或力矩。需要消耗电能或工质等星上能源, 由星载或地面设备组成闭环系统来实现。 2.1 利用牛顿万有引力定律推导、分析航天器受N 体引力时的运动方程, 并阐述简化为二体相对运动的合理性。 （1）解：牛顿万有引力定律：??r Fg??GMm
航天器控制工具箱
航天器控制工具箱 Spacecraft Control Toolbox 基于Matlab软件的航天器控制工具箱Spacecraft Control Toolbox 是Princeton Satellite System公司（简称PSS）最早和应用最广的产品之一，有20多年的历史，被广泛用来设计控制系统、进行姿态估计、分析位置保持精度、制定燃料预算以及分析航天器动力学特性等工作。Spacecraft Control Toolbox 工具箱经过多次飞行验证，证明是行之有效的。这个工具箱涵盖了航天器控制设计的各个方面。用户可以在很短的时间内完成各种类型航天器控制系统的设计和仿真试验。软件的模型和数据易于修改，具有良好的可视化功能。大部分算法都可以看到源代码。 Spacecraft Control Toolbox（简称SCT）由不同的模块组成。 组成结构图如下 各个模块的主要功能和特点
SCT Core Toolbox -- 基本工具箱 SCT基本工具箱针对需要迅速解决实际工程问题的工程师而设计，包含了航天器控制系统设计的基本内容，也是其他SCT模块运行的基础。它建立在PSS公司大量工程经验的基础上，其中包括GPS IIR、Inmarsat 3和GGS Polar Platform卫星的控制系统设计。迄今这些系统仍然在太空正常运行。PSS公司使用这个工具箱完成的Cakrawarta-1卫星姿态控制系统设计，所花费用仅仅是通常的十分之一。这颗卫星从1997年11月升空一直运行至今。另外的例子还包括一颗NASA卫星的姿态控制系统设计。 主要功能和特点 ?航天器控制系统设计和分析 ?柔性多体航天器姿态动力学建模 ?包含柔性体展开模型和多体的逻辑树描述 ?轨道动力学分析和仿真 ?姿态估计 ?星历表计算 ?包括大气、重力场和磁场的环境模型 ?指向保持的燃料预算 ?各种有用参数的数据库； ?可视化
航天器气动力辅助变轨方法研究2
航天器气动力辅助变轨方法研究 1.1研究的背景和意义 未来的载人空间站系统是以空间站为核心，由同轨平台、极轨平台、自由飞行卫星及空间交通工具——轨道机动飞行器组成。轨道机动或转移航天器往返于空间站与平台、卫星等飞行器之间，他们的变轨可用冲量或连续推力方式，但是耗能比较大，而气动力辅助轨道转移可成为节省燃料的变轨方案。气动力辅助轨道转移概念的提出始于六十年代，1961年H.London在美国宇航学会上正式提交了一份论文，论证了气动力辅助轨道转移的意义与可行性。自此 揭开了气动力辅助轨道转移研究的序幕，四十多年来，世界各航天器气动力辅助变轨方法研究 国的许多专家学 者都参与了这一具有重大发展前景的课题的研究，尤其是自九十年代以后，关于气动力辅助轨道转移的研究掀起了一个热潮，从各个方面对气动力辅助轨道转移问题进行了研究。 AOT(Aeroassisted Orbit Transfer)的概念最早由London提出的，并由其论证了实现的可行性。所谓气动力辅助轨道转移，是把纯冲量变轨与气动力 变轨结合起来，在整个变轨飞行中插入大气飞行段。在该段飞行中借助气动力完成部分变轨(改变轨道平面或高度)，最终以最小耗能等技术指标完成全部变轨要求。 气动力辅助变轨与冲量变轨或者连续推力变轨比较，主要差别是：在完成高能量到低能量轨道转移时，前者能量消耗主要靠气动力，后者主要靠燃料的喷射；在完成轨道平面变换时，前者以气动力为辅助手段完成部分轨道倾角变化，后者主要靠燃料的反作用改变倾角；在设计转移轨道时，前者需要有意插入一段大气层内轨道转移，后者则无此要求。气动力辅助变轨主要适用于低地轨道和同步地球轨道或者其他深空高轨道之间的往返联系以及大轨道平面倾角变化的异面轨道变轨。 AOT变轨方式由于有效的利用了航天器环绕星球上的大气这种自然资 源，借助气动力减少了燃料消耗，从而使飞行器获得了较大的有效载荷比。由于这种变轨方式可以大大节省变轨所需的燃料，因此普遍认为AOT是未来空 间运输的很重要的手段之一。我国将要发展先进的空间运输系统，利用以上技术会带来巨大的经济效益。因此这也就是研究气动力辅助轨道转移这个课题的原因。 1.2气动力辅助变轨发展 1.2.1气动力辅助变轨过程及应用 1961年Howard London在美国宇航学会第二十九届年会上正式提交了一份论文，论证了应用AOT的意义和可行性。四十多年来，美、欧等国家的许 多专家、学者都在从事着方面的研究，在我国这项技术还处于起步阶段，在近些年来，哈尔滨工业大学、北京航空航天大学和西北工业大学等单位的部分专
最新航天器控制原理自测试题三
航天器控制原理自测试题三 一、名词解释(15％) 1、本体坐标系 2、偏置动量轮 3、主动控制系统 4、大圆弧轨迹机动 5、惯性导航 二、简答题(60%) 1、阐述航天器基本系统组成及各部分作用。 2、引力参数u是如何定义的？ 3、叙述质点的动量矩定理及其守恒条件。 4、叙述双轴模拟式太阳敏感器的工作原理，并绘出原理结构图。 5、为了确保稳定性，对惯量比有什么要求？ 6、画出喷气三轴姿态稳定控制系统的原理框图。简述喷气推力姿态稳定的基本原理。 7、自旋稳定卫星喷气姿态机动的原理是什么？喷气角的选择为什么不能过小？ 8、GPS有哪几部分组成，各有什么功用。 9、举例说明载人飞船的主要构造。 10、航天飞机基本结构组成是什么？哪些可以重复使用，那些不可以？ 三、推导题（15％） 1、证明在仅有二体引力的作用下，航天起的机械能守恒。 2、推导欧拉力矩方程式。 四、计算题（10％） 已知一自旋卫星动量矩H=3500Kg·m2/s，自旋角速度为ω=60r/min，喷气力矩Mc=40N·m，喷气角为γ=40。，要求自旋进动θc=80。问喷气一次自旋进动多少？总共需要多少次和多长时间才能完成进动？
航天器控制原理自测试题三答案 一、名词解释15％ 1、本体坐标系 答：又称为星体坐标系。在此坐标系中，原点0在航天器质心，Ox ，Oy ，Oz 三轴固定在航天器本体上。若Ox ，Oy ，Oz 三轴为航天器的惯量主轴，则该坐标系称为主轴坐标系。 2、偏置动量轮 答：如果飞轮的平均动量矩是一个不为零的常值——偏置值，也就是说飞轮储存了一个较大的动量矩，飞轮的转速可以相对于偏置值有一定的变化，从而产生控制力矩。具有这种特点的飞轮称为动量轮或偏置动量轮。 3、主动控制系统 答：航天器主动式姿态控制系统的控制力矩来自于航天器上的能源，它属于闭环控制系统。 4、大圆弧轨迹机动 答：若要求自旋轴在天球上描绘的轨迹是大圆弧 ，那么自旋轴必须在同一平面内从初始方向机动到目标方向，所以每次喷气产生的横向控制力矩必须在此平面内，即推力器喷气的相位相对于空间惯性坐标系是固定的。此为大圆弧轨迹机动. 5、惯性导航 答：它主要由惯性测量装置、计算机和稳定平台(捷联式没有稳定平台)组成。通过陀螺和加速度计测量航天器相对于惯性空间的角速度和线加速度，并由计算机推算出航天器的位置、速度和姿态等信息。因此惯性导航系统也是航天器的自备式航位推算系统。 二、简答题 0F AA A 0OA F OA
航天器的姿态与轨道最优控制
航天器的姿态与轨道最优控制 董丽娜唐晓华吴朝俊司渭滨(第八小组) （西安交通大学电气工程学院，陕西省，西安市 710049） 【摘要】从航天器的轨道运动学方程出发, 运用线性离散系统最优控制理论, 提出了一种用于航天器轨道维持与轨道机动的最优控制方法, 建立了相关的最优控制模型并给出了求解该模型的算法。仿真计算结果表明, 本文提出的最优控制方法是正确和可行的。 【关键词】航天器轨道保持轨道机动最佳控制 Optimal Control of Spacecraft State and Orbit Dong LiNa，Tang XiaoHua，Wu ChaoJun，Si WeiBin （EE School of Xi’an Jiaotong university，Xi’an, Shannxi province, 710049）【Abstract】This paper provides a new optimal control method for orbital maintenance and maneuver ,which begins with the kinetics equation of spacecraft and is based on the linear discrete optimal control theory , establishes the relative optimal control model and gives its solution. The simulation results show that the given optimal control method in this paper is correct and feasible. 【Key word】Spacecraft ，Orbital keeping ，Orbital maneuver ，Optimal control 1 引言 一般地,常见的航天器有:运载火箭、人造卫星、载人飞船、宇宙飞船、空间站等。宇宙飞船也称太空飞船，它和航天飞机都是往返于地球和在轨道上运行的航天器（如空间站) 。
航天器控制原理
航天器控制原理自测试题一 一、名词解释（15％） 1、姿态运动学 2、惯性轮 3、姿态机动控制 4、空间导航 5、空间站的姿态控制 二、简答题（60％） 1、航天器按载人与否是如何分类的？各类航天器的作用和特点是什么？请举出你所知的各类航天器的国内外的例子。 2、开普勒三大定律是什么？牛顿三大定律是什么？ 3、分析描述航天器姿态运动常用的参考坐标系之间的相对关系。 4、画出航天器控制系统结构图并叙述其原理。 5、液体环阻尼器有什么特点，适用于什么场合？ 6、写出卫星姿态自由转动的欧拉动力学方程。 7、主动姿态稳定系统包括哪几种方式？ 8、推力器的工作时间为什么不能过小？ 9、简述导航与制导系统的功能，及其为实现此功能而必须完成的工作。 10、载人飞船在结构上较一般卫星有什么特点？ 三、推导题（15％） 1、利用牛顿万有引力定律推导、分析航天器受N体引力时的运动方程，并阐述简化为二体相对运动的合理性。8% 2、推导Oxyz和OXYZ两坐标系之间按“1-2-3”顺序旋转的变换矩阵和逆变换矩阵，并在小角度假设下予以线性化。7%
四、计算题（10％） 1. 已知一自旋卫星动量矩H=2500Kg·m2/s，自旋角速度为ω=60r/min，喷气力矩 Mc=20N·m，喷气角为γ=45。，要求自旋进动θc=90。。问喷气一次自旋进动多少？总共需 要多少次和多长时间才能完成进动？ 航天器控制原理自测试题一答案 一、名词解释（15％） 1、姿态运动学 答：航天器的姿态运动学是从几何学的观点来研究航天器的运动，它只讨论航天器运动的几何性质，不涉及产生运动和改变运动的原因 2、惯性轮 答：当飞轮的支承与航天器固连时，飞轮动量矩方向相对于航天器本体坐标系Oxyz不变，但飞轮的转速可以变化，这种工作方式的飞轮通常称为惯性轮。 3、姿态机动控制 答：姿态机动控制是研究航天器从一个初始姿态转变到另一个姿态的再定向过程。如果初始姿态未知，例如当航天器与运载工具分离时，航天器还处在未控状态；或者由于受到干扰影响，航天器姿态不能预先完全确定，那么特地把这种从一个未知姿态或者未控姿态机动到预定姿态的过程称为姿态捕获或对准。 4、空间导航 答：航天器轨道的变化也称为空间导航，包括轨道确定和轨道控制两个方面，由导航与制导系统完成。 5、空间站的姿态控制 答：空间站姿态控制分为姿态稳定和姿态机动两部分。姿态稳定又分为两种情况：第一种情况为对地球指向稳定，主要为与地面通信联系和有关的数据传递提供稳定姿态。第二种情况，姿态控制精度由有效载荷或者在空间站进行的有关实验提出，此种精度要求视有效载荷和实验研究的不同而不同。 二、简答题（60％） 1、航天器按载人与否是如何分类的？各类航天器的作用和特点是什么？请举出你所知的各类航天器的国内外的例子。
实验一 航天器轨道计算
实验一航天器轨道要素与空间位置关系 一、实验目的 1.了解航天器轨道六要素与空间位置的关系。 2.掌握航天器轨道要素的含义。 二、实验设备 安装有Matlab的计算机。 三、实验内容 1．实验原理 航天器的六个轨道要素用于描述航天器的轨道特性，有明显的几何意义。它们决定轨道的大小、形状和空间的方位，同时给出航天器运动的起始点。这六个轨道要素分别是： ①轨道半长轴(a)：它的长度是椭圆长轴的一半，可用公里或地球赤道半径或天文单位为单位。根据开普勒第三定律，半长轴与运行周期之间有确定的换算关系。 ②轨道偏心率(e):为椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值。偏心率为0时轨道是圆;偏心率在0～1之间时轨道是椭圆,这个值越大椭圆越扁；偏心率等于1时轨道是抛物线;偏心率大于1时轨道是双曲线。抛物线的半长轴是无穷大,双曲线的半长轴小于零。 ③轨道倾角(i)：轨道平面与地球赤道平面的夹角，用地轴的北极方向与轨道平面的正法线方向之间的夹角度量，轨道倾角的值从0°～180°。倾角小于90°为顺行轨道，卫星总是从西(西南或西北)向东(东北或东南)运行。倾角大于90°为逆行轨道，卫星的运行方向与顺行轨道相反。倾角等于90°为极轨道。 ④升交点赤经(Ω):它是一个角度量。轨道平面与地球赤道有两个交点，卫星从南半球穿过赤道到北半球的运行弧段称为升段，这时穿过赤道的那一点为升交点。相反，卫星从北半球到南半球的运行弧段称为降段，相应的赤道上的交点为降交点。在地球绕太阳的公转中，太阳从南半球到北半球时穿过赤道的点称为春分点。春分点和升交点对地心的张角为升交点赤经,并规定从春分点逆时针量到升交点。轨道倾角和升交点赤经共同决定轨道平面在空间的方位。
航天器控制原理
1.1 世界航天技术发展的概况 航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一，它推动着人类科学技术的进步，使人类活动的领域由大气层内扩展到宇宙空间。航天技术是现代科学技术的结晶，是基础科学和技术科学的集成，力学、热力学、材料学、医学、电子技术、光电子技术、自动控制、计算机、真空技术、低温技术、半导体技术、喷气推进、制造工艺学等学科，以及这些科学技术在航天应用中相互交叉、渗透而产生的大量新学科，都对航天技术的发展起了重要作用。所以，航天技术是一个国家科学技术水平的重要标志。 航天技术是一门综合性的工程技术，主要包括：制导与控制技术，热控制技术，喷气推进技术，能源技术，空间通信技术，遥测遥控技术，生命保障技术，航天环境工程技术，火箭及航天器的设计、制造和试验技术，航天器的发射、返回和在轨技术等。由多种技术融于一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规模庞大，技术高新、尖端，而且人力、物力耗费巨大，工程周期长。时至今日，航天技术已被广泛应用到政治、军事、经济和科学探测等领域，已成为一个国家综合国力的象征。 .1.2 近代航天技术的发展 19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物K．3．齐奥尔科夫斯基，R．戈达德(Robert Goddard)，H．奥伯特(Hermann Oberth)。 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。这两种趋势相互补充，取得了显著的效益。80年代中后期，基于模块化和集成化设计思想的新型微、小卫星崛起，成为航天技术发展中的一个新动向。这类卫星重量轻、成本低、研制周期短、见效快，已逐渐成为今后应用卫星的一支生力军。
航天器控制大作业
航天器控制课程大作业 1.基本内容 ?建立带有反作用飞轮的三轴稳定对地定向航天器的姿态动力学和姿态运动学模型； ?基于欧拉角或四元数姿态描述方法，设计PD型或PID型姿态控制律(任选一种); ?利用MATLAB/Simulink软件建立航天器闭环姿态控制系统，设计姿态控制器进行闭合回路数学仿真，实现给定控制指标和 性能指标。 ?调研基于星敏感器+陀螺的姿态确定算法并撰写报告，要求不少于1500字。内容包括： ?星敏感器、陀螺数学模型 ?Landsat-D卫星姿态确定调研 包括：姿态敏感器组成、姿态敏感器性能、姿态确定算法及其精度 ?单星敏感器+陀螺的kalman滤波器姿态估计 ?双星敏感器姿态确定算法(双矢量定姿) ?列出主要参考文献 2.具体要求和相关参数 1)建立航天器姿态动力学方程以及基于欧拉角描述(3-1-2转序)的姿态运动学方程。基于如下假设，对航天器姿态动力学和姿态运动学模型进行简化： ?航天器的轨道为近圆轨道，对应轨道角速度为常数； ?航天器的本体坐标系与其主惯量坐标系重合，惯量积为零；
? 航天器姿态稳定控制时，姿态角和姿态角速度均为小量。 进一步建立适用于航天器姿态稳定或小姿态角度工况下的线性化航天器姿态动力学和运动学模型。 2) 航天器转动惯量矩阵 2200024142460018kg m 14182500????=??????? I 轨道角速度00.0012rad/s ω=。设航天器本体系三轴方向所受干扰力矩如下： 040003cos 1() 1.510 1.5sin 3cos N m 3sin 1d t t t t t ωωωω-+????=?+?????+??T 仿真中，假设初始三轴姿态角为002~5和初始三轴姿态角速度000.01/s ~0.05/s 。 3) 采用三正装反作用飞轮作为执行机构，飞轮最大控制力矩为0.4Nm ，最大角动量20Nms 。飞轮采用力矩模式，模型采用一阶惯性环节（时间常数为0.005s ），考虑库仑摩擦力矩4410Nm -?，要求飞轮的数学模型带有饱和特性。 4) 控制指标和性能指标： ? 稳定度（姿态角速度）：优于0.005deg/s ； ? 指向精度（姿态角）：优于0.1deg ； ? 姿态稳定收敛时间小于100s 。
航天器轨道力学实验一
实验一卫星轨道参数仿真 一、实验目的 1、了解STK的基本功能； 2、掌握六个轨道参数的几何意义； 3、掌握极地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道等典型轨道的特点。 二、实验环境 卫星仿真工具包STK 三、实验原理 （1）卫星轨道参数 六个轨道参数中，两个轨道参数确定轨道大小和形状，两个轨道参数确定轨道平面在空间中的位置，一个轨道参数确定轨道在轨道平面内的指向，一个参数确定卫星在轨道上的位置。 ? 轨道大小和形状参数： 这两个参数是相互关联的，第一个参数定义之后第二个参数也被确定。 第一个参数第二个参数 semimajor axis 半长轴Eccentricity 偏心率 apogee radius 远地点半径perigee radius 近地点半径 apogee altitude 远地点高度perigee altitude 近地点高度 Period 轨道周期Eccentricity 偏心率 mean motion平动Eccentricity 偏心率
图1 决定轨道大小和形状的参数 ?轨道位置参数： 轨道倾角（Inclination）轨道平面与赤道平面夹角 升交点赤经（RAAN）赤道平面春分点向右与升交点夹角 近地点幅角（argument of perigee）升交点与近地点夹角 ?卫星位置参数： 表1 卫星位置参数 （2）星下点轨迹 在不考虑地球自转时，航天器的星下点轨迹直接用赤经α、赤纬δ表示（如图2）。直接由轨道根数求得航天器的赤经赤纬。
图2 航天器星下点的球面解法 在球面直角三角形SND 中： ?? ???+==??+Ω=+==)tan(cos tan cos tan )sin(sin sin sin sin f i u i f i u i ωαα αωδ （1） 由于地球自转和摄动影响，相邻轨道周期的星下点轨迹不可能重合。设地球自转角速度为E ω，t 0时刻格林尼治恒星时为0G S ，则任一时刻格林尼治恒星时G S 可表示成： )(00t t S S E G G -+=ω （2） 在考虑地球自转时，星下点地心纬度? 与航天器赤纬δ仍然相等，星下点经度（λ）与航天器赤经α的关系为： ???=---=-=δ ?ωααλ)(00t t S S E G G （3） 将（1）代入上式，得到计算空间目标星下点地心经纬度()?λ,的公式，即空间目标的星下点轨迹方程为： ? ???=---?+Ω=)sin arcsin(sin )()tan arctan(cos 00u i t t S u i E G ?ωλ （4） 其中? 为星下点的地理纬度，λ 为星下点的地理经度，u 是纬度幅角，ωE 为地球自转角速度。由（4）中的第二式可知，i =90?时，? 取极大值?max 。i =-90?时，? 取极小值
姿态控制系统
第一章航天器控制的基本概念1.轨道控制 a.轨道确定(导航) 研究如何确定航天器的位置和速度b. 轨道控制(制导) 根据位置、速度、飞行最终目标，对质心施以控制力，以改变运动轨迹的技术轨道机动、轨道保持轨道交会、再入返回控制2.姿态控制a.姿态确定研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法；可以是惯性基准或其他基准，如地球；采用姿态敏感器和相应的数据处理方法；确定精度取决于数据处理方法和敏感器精度。b. 姿态控制在规定或预定方向(参考方向)上定向的过程；姿态稳定是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。3.姿态稳定 a.特点长期而持续的所需控制力矩较小b.种类定向粗对准精对准4. 姿态机动a.特点短暂过程所需控制力矩较大b.种类再定向捕获跟踪和搜索4. 姿态控制与轨道控制的关系为实现轨道控制，航天器姿态必须符合要求；在某些具体情况或某些飞行过程中，可把姿态控制和轨道控制分开考虑；某些应用任务对航天器轨道没有严格要求，而对航天器姿态确有要求；例如：空间环境探测卫星绕地球的运行往往不需要轨道控制，卫星在开普勒轨道上运行就能满足对环境探测的要求。5.姿态控制系统分类 a.根据姿态稳定方式三轴稳定.保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向自旋稳定.绕自旋轴旋转，依靠旋转动量矩在惯性空间的指向b.根据力来源被动控制.不需消耗星上能源，如重力梯度力矩、磁力矩等主动控制.星上自主控制、星－地大回路控制，消耗电能和工质6.姿态控制系统的设计要求可靠性控制性能a.动量、稳定性b.稳态精度c.动态响应控制系统质量和能源需求附带要求a.经济性b.坚固性c.生产可能性7.姿态控制系统设计任务a.了解任务参数任务类型、质量、结构、轨道几何参数、任务寿命、精度、机动要求b.推导出控制系统质量和能源需求可靠性及寿命动量要求力矩要求：大小、频率、杠臂限制动态响应精度 能源要求c.具体设计 第二章姿态运动学与动力学1.方向余弦阵的性质及特点方向余弦阵只有三个独立参数方向余弦阵是正交矩阵AA T=E方向余弦阵的行列式为1|A|=1方向余弦阵可作为坐标变换矩阵V a=A Vb相继姿态运动的方向余弦阵具有中间脚标的吸收性质。缺点：不直观，缺乏明显的几何图象概念，使用不方便2.用EulerEuler轴/角描述姿态的理论依据Euler定理：刚体绕固定点的任一位移，可由绕通过此点的某一轴转过一个角度得到。姿态描述可用转轴e和绕此轴的转角φ来描述两个坐标系间的相对姿态。Euler轴/角的形式及特点形式转轴e在参考坐标系中的三个方向余弦(ex, ey, ez)转角φ优点具有明确的几何意义，直观，易于理解；是四元素、Rodrigues参数等其它姿态描述方法的基础。缺点仍具有一个约束条件，不是姿态描述的最小实现；与姿态之间不是一一对应的。常用Euler角3-1-3 ψ, θ, ?自旋卫星绕oZ轴旋转, Rz(ψ)绕oX'轴旋转, Rx(θ)绕oZ"轴旋转Rz(?)3-1-2 ψ, ?, θ三轴稳定卫星绕oZ轴旋转, Rz(ψ)绕oX'轴旋转, Rx(?)绕oY"轴旋转,Ry(θ) 在轨道坐标系内ψ为偏航角?为滚动角θ为俯仰角。3. Euler角的特点优点几何意义直观、明显小角度线性化方便在某些情况下，可直接测量缺点包含三角函数，计算效率低运动学方程有奇点4. 四元数特点与方向余弦阵相比，四元素只包含4个变量和1个约束与Euler轴/角相比，四元素姿态矩阵不含三角函数四元素可看作姿态机动参数。缺点：四元数仍存在一个约束条件，不是姿态描述的最小实现。5.Rodrigues参数的优缺点优点姿态描述的最小实现；简单、直观，计算效率高；由其描述的运动学方程结构简洁，无多余约束。缺点当φ→±180°时，x→±∞，不能有效描述姿态；当φ远小于180°时，才能有效描述姿态。6.重力梯度力矩的性质重力梯度力矩与主惯量差成正比重力梯度力矩与轨道角速度的平方成反比重力梯度力矩与姿态偏差角(小角度假设下)成正比当Izz< 航天器的控制系统 航天学院 151220205 李欢 一、关于控制的基础知识 系统是能够在一起协同工作并产生输出的所有部分的集合。系统具有输入（进入系统的东西）、输出（从系统中发出的东西）和把输入变成输出的处理过程。对于航天器的任务而言，任务的成败取决于各种子系统的输出，因而我们最关心控制系统。最简单的控制系统是一种开环式的，输入生成输出，但不能动态调整输入来控制输出。而闭环控制系统，也叫反馈控制系统，能很好地保证得到想要的输出。因为它能感知输出（得到的）,将它与想要的输出（想得到的）进行比较，并根据需要调整输入。 所有控制系统必须实现的四个基本任务: 1.理解系统的行为——装置是如何对包括环境输入在内的输入产生反应来生成输出的,这也被称为装置模型; 2、观察系统的当前状态——利用传感器； 3、决定做什么——控制器的作用； 4、执行——利用执行器。 姿态确定就是根据姿态测量元件提供的测量信息（含有噪声）求出姿态角和角速度，其精度与测量元件的精度、安装方式和信息处理的方法有关。姿态确定航天器在空间的指向方位，同时，发射航天器需要控制它们的姿态以进入正确的轨道。通常用角度来定义航天器的姿态，用以飞行器为中心的本体坐标系的旋转角度来描述姿态，常以滚动角、俯仰角和偏航角给出。 为了观察系统姿态，并将这些观察结果转换成控制器能处理的信号，航天器都有一个内置姿态传感器系统。它利用两个参照点来确定航天器在三维空间里的姿态。 执行特定飞行使命的航天器需按特定的轨迹运动，为满足这个要求常需对轨道进行控制。这种控制包括利用航天器的推进系统产生的反作用推力的主动控制及利用客观存在的外力（如地球引力、气动力、太阳辐射压力及其他行星的引力等）的被动控制。对航天器的质心施加外力，以改变其运动轨迹的技术，实现航天器轨道控制的装置的组合称为航天器轨道控制系统。 航天器的轨道一般由主动飞行段和自由飞行段组成。主动飞行段是航天器变轨发动机的点火段，变轨发动机熄火后是自由飞行段。航天器在脱离运载火箭后便进入自由飞行段。如果要改变它的轨道，就要插入主动飞行段。 本科毕业设计论文 题目航天器轨道机动研究 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间2014年6月 毕业 任务书 一、题目： 航天器轨道机动研究 二、指导思想和目的要求： 航天器轨道机动已经广泛应用在航天器入轨和轨道保持等领域，但随着空间科学的不断发展，多个航天器之间的交会与轨道机动已经成为技术上需要重点研究的对象，本课题将对这一领域进行深入研究，希望通过该毕业设计，学生能达到： 1. 掌握Hohmann 转移、Lambert 转移的原理与实例。 2. 能用MATLAB 仿真出航天器的运行轨道。 3．锻炼学生的科研工作能力和培养学生团队合作及攻关能力。 三、主要技术指标： （1） 学习二体力学、Hohmann 转移、Lambert 转移在航天器轨道中的应用。 （2） 熟练掌握MATLAB 软件，并能应用MATLAB 编写航天器轨道程序，仿 真出轨道轨迹，利用提供的大量数据分析出如何才能使航天器更节省能源，找出航天器最优轨迹。 （3） 翻译相关的英文科技文章一篇。 （4） 撰写毕业设计论文一篇。 四、进度与要求 第01周----第02周： 参考翻译英文文献； 第03周----第04周： 学习Hohmann 转移和Lambert 转移的原理； 第05周----第08周： 研究二体轨道力学和Hohmann 转移的算法； 第09周----第14周： 应用Matlab 编写航天器轨道机动程序； 设计 论文 第15周----第16周：撰写毕业设计论文，论文答辩。 五、主要参考书及参考资料： [1]杨嘉墀. 航天器轨道动力学与控制. 中国宇航出版社，1995. [2]赵钧. 航天器轨道动力学. 哈尔滨工业大学出版社，2011. [3]竺苗龙. 绕地飞行航天器最佳发射轨道理论及其他问题的研究. 中国宇航 出版社，2011. [4]薛定宇、陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用. 清华大学 出版社，2002. [5]周军. 航天器控制原理. 西北工业大学出版社，2001. [6]袁建平. 航天器轨道机动动力学[M]. 北京：中国宇航出版社，2010. [7]杨乐平，朱彦伟. 航天器相对运动轨迹规划与控制[M]. 北京：国防工业出版 社，2010. [8]刘鲁华. 航天器相对运动轨道动力学与控制[M]. 北京：中国宇航出版社， 2013. [9]张志涌，杨祖樱. MATLAB教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,1999. [10]唐国金,罗亚中,张进.空间交会对接任务规划[M].北京:科学出版社，2007. [11]王忠贵,罗亚中.基于改进遗传算法的最优交会控制器设计[J]. 弹箭与制导学 报2004,24(3):14-17. 学生指导老师系主任 《基于 STK 的航天器轨道仿真与设计》 课程设计报告 班级 ： 341511班 组长 ：王楷 组 员 ：邹希、赵俊杰、聂秋华 日期 ： 2007年 12月 20日 目录 一、介绍STK的应用背景和主要功能................................- 1 - 1. STK 应用背景.............................................................................................- 1 - 2. STK 主要功能.............................................................................................- 1 - 二、嫦娥奔月的设计过程.........................................- 2 - 1．各国的探月计划............................................................................................- 2 - 2．设计要求.......................................................................................................- 4 - 3. 设计思路.....................................................................................................- 5 - 4. 设计中使用的参数......................................................................................- 5 - 5. 地球停泊轨道分析与设计..........................................................................- 5 - 6. 地月转移轨道分析与设计..........................................................................- 5 - 三、基于STK模型描述语言的航天器三维造型及动画制作.............. - 13 - 1. STK/VO 模块简介....................................................................................- 13 - 2. STK/VO 设计要求....................................................................................- 13 - 3. STK/VO 设计模型选择............................................................................- 13 - 4. 中巴地球资源卫星简介............................................................................- 14 - 5. 中巴地球资源卫星模型设计....................................................................- 14 - 6. 动画制作...................................................................................................- 16 - 四、收获与体会 ............................................... - 17 - 五、参考文献 ................................................. - 17 - 六、成员分工 ................................................. - 17 - “空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制理论与方法”重大项目 指南 空间目标的在轨捕获是完成空间飞行器在轨服务与维护的前提，如对卫星进行在轨装配、故障维修、燃料加注、模块更换、技术升级以及辅助机构展开等，都需要首先完成卫星的空间在轨捕获。空间飞行器在轨服务与维护是航天领域未来重要发展方向，目前国际国内都安排了大量的研究计划。航天器控制是空间目标捕获的基础，也是实现在轨服务的关键。由于空间翻滚目标（这里主要包括空间垃圾、失效航天器、失控航天器等）属于非合作目标，它在信息层面上不沟通、机动行为上不配合，其捕获更具挑战性。本重大项目主要围绕空间翻滚目标捕获过程中航天器控制方法展开研究，为实现航天器在轨服务与维护奠定理论基础。 一、科学目标 面向我国航天未来发展的重大需求，围绕空间翻滚目标捕获过程中航天器控制理论与方法的基础问题开展研究，力争实现以下三方面理论突破：与非合作目标交会的航天器多约束智能自主规划与控制理论与方法；空间翻滚目标的位姿估计与跟踪控制理论与方法；变构型航天器联合体的姿轨控制理论与方法。同时实现以下三方面技术突破：航天器相对失效目标的高精度姿态跟踪、超近距离强迫伴飞的控制技术；机械臂抓捕翻滚目标后联合体的快速姿态稳定控制技术；机械臂抓捕翻滚目标后联合体的轨道机动控制技术。 主要理论成果在国际著名等刊物上发表并产生重要影响，技术成果申请系列发明专利。构建空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制方法的半实物仿真实验系统，完成地面仿真实验，力争开展相关理论、方法和技术成果的空间演示验证。培养一批我国航天领域高水平的理论和工程技术人才，为我国航天事业做出贡献。 二、研究内容 围绕空间翻滚目标的捕获任务，针对目标交会、位姿跟踪和组合体控制三个具体过程，开展航天器的控制理论和方法研究，主要内容包括如下： （一）空间翻滚目标捕获过程中的位姿、形态测量、估计与模型。 建立空间翻滚目标的交会与跟踪模型，探索目标、服务星的（相对）位姿、形态等运动信息的测量手段和估计方法，研究不确定环境下目标交会与跟踪模型的参数辨识方法；研究非合作目标航天器捕获后联合体的惯性与质心参数的估计方法，实现空间翻滚目标捕获过程中的位姿、形态、轨道等运动信息的快速准确获取，为实现目标捕获过程中的航天器控制奠定基础。 （二）空间非合作目标交会的多约束智能自主规划与控制。 围绕实现服务星与目标的准确快速交会，研究低燃料消耗、高位置精度和安全接近等多约束条件下服务星的轨迹自主规划方法和智能自主控制方法；探索椭圆轨道非合作目标交会的多约束综合优化控制方法，研究基于视线坐标系的目标跟踪与交会控制方法，为实现服务星对目标的超近距离绕飞、悬停与跟踪打下基础。 （三）空间翻滚目标的超近距离航天器位姿跟踪控制。 围绕实现卫星与目标之间的超近距离姿态跟踪、轨道跟踪、绕飞和悬停，探索具有对空间翻滚目标的高精度姿态跟踪与强迫绕飞控制策略，研究翻滚目标任意方位的最小能量高精度悬停与姿态保持控制方法；航天器的控制系统
航天器轨道机动研究
基于STK的航天器轨道仿真与设计
空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制理论与方法