嫦娥一号卫星的制导_导航与控制

合集下载

信息化技术在嫦娥一号卫星研制中的应用

卫星和载人航天后的第三个里程碑。作为我国第
叶培建，于萍
（．国空问技术研究院，京１０８；２北京控制工程研究所，京１０８）１中北００１．北０００
摘要：娥一号卫星首发成功，我国航天事业发展的第三个里程碑。信息化嫦是技术在嫦娥一号卫星的管理、计、工及测试等各个环节都得到了充分应用，设加
。
ＡｐｐｉａｉｏｎｏｍａｉｎＴｅｈｎｌｇｎＤｅｅｏｍｅｔｌｃｔｏｆＩｆｒｔｏｃｏｏｙｉｖｌｐｎ
ｏｎａｏｆＬｕｒＰｒｂｅＣｈａｇＥ一１ｎ
ＹＥＰｉａＹＵＰｎｅｉｎ．ｉｇｊ
（．ＣｉｃｄｍａｅＴｃｎｌｙＢｉｎ００１ＣｉａｈｎＡａｅｙｏａｆｃｅｈｏｏ，ｅｉ１０８，ｈｎ；ｇｊｇ２ｅｉｇＩｓｔｔｏｏｔｌｎｉｅｉＢｉｎ０００Ｃｉ）．ＢｉｎｔｕＣｎｒｇｎｒｇ，ｅｉ１０８，ｈｎｊｎｉｅｆｏＥｅｎｊｇａ
Ａｂｓｒｃ：ｔａｔＴｈｅｓｃｅｓｏｈｌｎｒｐｏｅｕｃｓｆｔｅｕａｒｂＣｈｎ一１ｓｈｔｉｄｍｉｓｏｅｎｔｅｈｉｔｒｆｃｉＳａｇＥｉｔｅｈｒｌｔｎｉｈｓｏｙｏｈｎａｅｓａｅｎｕｔｐｃｉｄｓｒｙ．Ｉｆｒｔｏｔｃｎｌｇｉｗｉｅｙｓｄｎｈｐｏｅｓｆｈｍａａｅｎ，ｄｓｇｎｏｍａｉｎｅｈｏｏｙｓｄｌｕｅｉｔｅｒｃｓｏｔｅｎｇｍｅｔｅｉｎ，ｍａｕａｔｒａｄｔｓｆｔｐｏｅＣｈｎ一１，ｗｈｃｌｙｅｙｉｏｔｎｏｅｆｒｔｅｅｉｉｎｎｎｆｃｕｅｎｅｔｏｈｅｒｂａｇＥｉｈｐａｓａｖｒｍｐｒａｔｒｌｏｈｆｃｅｔａｄｈｇｉｈ— ｑｕｌｔｃｏｌｓｍｅｔｏｈｅｐｏｅＣｈｎ一１ＴｈｒｍａｈｒｃｅｉｔｓｏａｇＥ一１ｒａｉｙａｃｍｐｉｈｎｆｔｒｂａｇＥ．ｅｐｉｒｃａａｔｒｓｉｆＣｈｎｙｃａｅｓｍｍａｉｅｎｔｉｐｒｎｈｅａｐｉａｉｎａｄｂｅｅｉｓｏｎｏｍａｉｎｔｃｎｌｇｒｔｅｄｖｌｐｎｕｒｚｄｉｈｓｐａｅ，ａｄｔｐｌｃｔｏｎｎｆｔｆｉｆｒｔｏｅｈｏｏｙｆｈｅｅｏｍｅｔｏｏａｇｆＣｈｎＥ一１ｒｒｖｅｄＴｈｅｐｉａｉｎｏｎｏｍａｉｎｔｃｎｌｇｎｏｂａｄｆｃｌｔｍａｎｙｉａｅｅｉｗｅ．ａｐｌｔｏｆｉｆｒｔｏｅｈｏｏｙｉｎｏｒａｉｉｃｙ，ｉｌｎＧＮＣｓｓｅ，ｉｘｏｄｄｉｅａｌＩｈｎｙｔｍｓｅｐｕｎｅｎｄｔｉ．ｎｔｅｅｄ，ｔｅａｐｉａｉｎｏｎｏｍａｉｎｔｃｎｌｇｎｔｅｃｕｓｈｐｌｃｔｏｆｉｆｒｔｅｈｏｏｙｉｈｏｒｅｏｏｉｈｏｒｌｉｎｒｄｕｅｆｆｇｔｃｎｔｏｓｉｔｏｃｄ．ｌＫｅｗｏｒ：ｉｆｒａｉｎｔｃｎｏｏｙ；ｃｍｐｔｒｌａｒｂｙｄｓｎｏｍｔｏｅｈｌｇｏｕｅ；ｕｎｒｐｏｅＣｈａｇＥ一１；ＧＮＣｓｓｅｎｙｔｍ

叶培建：“嫦娥”奔月，走别人没走

叶培建（1945 年 1 月—），空间飞行器总体、信息处理专家，中国科学院院士。

主要从事卫星总体设计和信息处理研究工作。

在嫦娥方案的选择和确定、关键技术攻关、大型试验策划与验证，以及卫星研制等方面做出了系统性、创造性的重大贡献。

2019 年获“人民科学家”国家荣誉称号。

叶培建“嫦娥”奔月，走别人没走过的路初入航天勤攻关20 世纪 80 年代，叶培建博士毕业后，毫不犹豫地选择回国，在控制工程研究所任职。

初入航天事业的叶培建，一上任就向国内空白的领域发起攻关，进行了一系列开创性的研究工作，尤其是他带领研发的火车红外热轴探测系统，在当时是一个开创性的科技项目。

通过反复实验和创新攻关，叶培建带领几个年轻人利用模式识别及人工智能知识对不同轴承进行类别判断、热模型的建立和信息的传输，最终自主研制开发了中国第一代火车红外热轴探测系统，确定了轴承滚动与滑动的模式区别方法，为铁路运输安全提供了现代化的保障。

这一系统当时在国内属于首创，上马以来一直是控制工程研究所的拳头产品，创造了可喜的经济效益，影响十分深远。

1989 年，“车辆热轴探测系统”获得了部级科技进步奖一等奖。

第一代传输型对地观测卫星多年来，叶培建一直从事控制系统、机器人视觉及计算机应用工作，而他更为人们所熟知的，是卫星研制领域的工作——主持制定了我国第一代传输型对地观测卫星总体方案及各个分系统的设计。

1993 年，叶培建担任“中国资源二号”卫星有效载荷副总师，开始了他领导卫星研制工程的历史。

1996 年，担任“中国资源二号”卫星的总师兼总指挥。

“中国资源二号”卫星属于传输型对地观测卫星，主要用于国土普查、城市规划、作物估产、灾害监测和空间科学实验等领域，在我国国民经济各行业的发展中发挥了广泛的作用。

这颗卫星技术起点高，研制难度大。

时任航天科技集团公司副总经理的马兴瑞曾说过，在我国已有的卫星中，这颗星是“最大最重的星，2020 年 7 月 23 日 12 时 41 分，长征五号遥四运载火箭搭载我国自主研发的“天问一号”火星探测器，在中国文昌航天发射场顺利升空。

中国航天发展

2023年9月25日21时10分04秒神州七号飞船发射升空。9月27日16点30分，景海鹏留守返回舱，翟志刚刘伯鸣分别穿着中国制造旳“飞天”舱外航天服和俄罗斯出品旳“海鹰” 舱外航天服进入神舟七号载人飞船兼任气闸舱旳轨道舱。翟志刚出舱作业，刘伯鸣在轨道舱内帮助，实现了中国历史上宇航员第一次旳太空漫步，令中国成为第三个有能力把航天员送上太空并进行太空行走旳国家。
其中不载人状态旳可靠性要比长征2F火箭
略低某些，而载人状态旳可靠率会高某些。
长征5号一样是我国完全自主研发旳火箭，
中国旳航天员将首次出舱来进行太空行走。北京时间2023年9月25日21时10分04秒 988毫秒由长征2号F火箭发射升空。2023 年9月27日16点30分，景海鹏留守返回舱，翟志刚刘伯鸣分别穿着中国制造旳“飞天” 舱外航天服和俄罗斯出品旳“海鹰”舱外航天服进入神舟七号载人飞船兼任气闸舱旳轨道舱。翟志刚出舱作业，刘伯鸣在轨道舱内帮助，实现了中国历史上宇航员第一次旳太空漫步，令中国成为第三个有能力把航天员送上太空并进行太空行走旳国家。北京时间2023年9月28日17点37分 “神舟七号”飞船成功着陆于中国内蒙古
Hale Waihona Puke 嫦娥三号嫦娥三号卫星简称嫦娥三号，教授称 “三号星”，是嫦娥绕月探月工程计划中嫦娥系列旳第三颗人造绕月探月卫星。 “嫦娥三号”要携带探测器在月球着陆，实现月面巡视、月夜生存等重大突破，开展月表地形地貌与地质构造、矿物构成和化学成份等探测活动。根据中国探月工程三步走旳规划，中国将在2023年左右实现月球软着陆探测自动巡视勘查。
2023年10月12日上午9:00神舟六号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，费俊龙和聂海胜两名中国航天员被送入太空，在太空成功飞行5天。

九天揽月——中国航天发展历程

第一阶段（1956年——1970年）

50年前的10月，第一个导弹火箭研究机构——国防部第五研究院正式宣布成立，这标志着中国航天事业正式起步。 50年代：做出了发展“两弹一星”的决策。 60年代：做出“八年四弹”的决策：研究人员用8年时间研制成功了中近程、中程、中远程、远程液体弹道导弹，并衍生出 “长征一号”、“长征二号”运载火箭。
神舟飞船
2005年10月17日凌晨， 5天前从酒泉卫星发射中心启航的神舟六号飞船，在平安飞行 115个小时32分后重返神州，缓缓降落在内蒙古四子王旗主着陆场的草地上。我国首次真正意义上有人参与的空间飞行试验取得圆满成功。至今为止，中国已经发射了八艘神舟系列航天飞船。
神舟系类宇宙飞船
中国现代航天事业是在50年代中期开始起步的， 1956年，中国制定了12年科学发展远景规划，把火箭和喷气技术列为重点发展项目。同年建立了第一个导弹、火箭研究机构，1958年把发射人造地球卫星列入国家科学规划，组建机构开展空间物理学研究和探空火箭研制工作，并开展星际航行的学术活动和实验设备的筹建工作。中国航天事业在创业之初经历了经济上、技术上的种种困难，经过艰苦奋斗，终于在1960年2月发射成功第一枚探空试验火箭，同年11月又发射成功第一枚自制的运载火箭，在60年代后期又研制成功中程和中远程运载火箭，为中国航天事业的发展奠定了基础。到今天为止，中国航天事业经或三个阶段的发展，已经取得了举世瞩目的辉煌成就。

80年代的成就
1985年，中国正式宣布将“长征”系列运载火箭投入国际商业发射市场。 1990年4月7日，“长征三号”运载火箭成功发射美国研制的“亚洲一号”卫星，截至目前已将27颗国外制造的卫星成功送入太空，中国在国际商业卫星发射服务市场中占有了一席之地。

九天揽月——中国航天发展历程

新一代大型运载火箭：
“长征”系列运载火箭有12种，都有污染，也有毒。所以，今后的主要任务是，研制新一代无毒、无污染、高性能、低成本和大推力运载火箭。目前我国火箭的最大运载能力是把9吨重的物体送到三四百公里的一个地球轨道。新一代运载火箭研制成功后，最大运载能力可以把25吨重的一个物体送到近地轨道，能够把14吨重的卫星送到地球静止轨道。这种新的运载火箭既能满足我国卫星、飞船的发射需求，还能参与国际商业发射服务市场的竞争。
中国现代航天事业是在50年代中期开始起步的， 1956年，中国制定了12年科学发展远景规划，把火箭和喷气技术列为重点发展项目。同年建立了第一个导弹、火箭研究机构，1958年把发射人造地球卫星列入国家科学规划，组建机构开展空间物理学研究和探空火箭研制工作，并开展星际航行的学术活动和实验设备的筹建工作。中国航天事业在创业之初经历了经济上、技术上的种种困难，经过艰苦奋斗，终于在1960年2月发射成功第一枚探空试验火箭，同年11月又发射成功第一枚自制的运载火箭，在60年代后期又研制成功中程和中远程运载火箭，为中国航天事业的发展奠定了基础。到今天为止，中国航天事业经或三个阶段的发展船
2005年10月17日凌晨， 5天前从酒泉卫星发射中心启航的神舟六号飞船，在平安飞行 115个小时32分后重返神州，缓缓降落在内蒙古四子王旗主着陆场的草地上。我国首次真正意义上有人参与的空间飞行试验取得圆满成功。至今为止，中国已经发射了八艘神舟系列航天飞船。
神舟系类宇宙飞船
高分辨率对地观测系统

我国在2007年时便开始建设由地、空、天三个层次观测平台组成的大气、陆地、海洋先进观测体系，相关重大项目已经启动。预计到2020 年，我国自主空间数据自给率将提高到60%—80%。目前，我国对地观测卫星已经初步形成系列，共发射了气象卫星4 个，资源卫星7个，海洋卫星2个，北斗导航定位卫星的4个，通信卫星10个，返回式卫星18个，科学实验卫星18个，神州号飞船SZ-1、2、 3、4、5，北京1号小卫星1个。但是高分辨率的数据仍然依赖国外和国内的航空遥感系统，还没有建立高分辨率对地观测系统。有关专家表示，在全球经济一体化的形势下，为保障我国后备资源的战略安全，开展为战略性矿产资源勘查服务的基础地质背景调查工作，迫切需要我国拥有自主控制的高光谱卫星遥感系统。我国对地观测数据，尤其是高空间分辨率的数据需求巨大，仅在 “十一五”期间涉及到对地观测数据的18个重大工程的总投资达到 2000亿元。因此，我国急需建立自己的高分辨率对地观测系统，并且要在现有的对地观测系统稳定服务基础上，利用10到15年时间建立覆盖全球天、空、地一体化的高空间、高时间和高光谱分辨率的全天候、全天时对地观测系统。

中国航天事业的发展

谢谢观赏
11地理教育
神舟七号
• 中国的航天员将首次出舱来进行太空行走。北京时间2008年9月25日21时10分04秒988毫秒由长征2号F火箭发射升空。2008年9月27日16点30分，景海鹏留守迒回舱，翟志刚刘伯明分别穿着中国制造的“飞天”舱外航天服和俄罗斯出品的“海鹰”舱外航天服进入神舟七号载人飞船兼任气闸舱的轨道舱。翟志刚出舱作业，刘伯明在轨道舱内卋劣，实现了中国历叱上宇航员第一次的太空漫步，令中国成为第三个有能力把航天员送上太空幵进行太空行走的国家。北京时间2008年9月 28日17点37分“神舟七号”飞船成功着陆亍中国内蒙古四子王旗。
天宫二号
【飞行器名称】天宫二号【飞行器生产国家】中国【发射时间】2012年至2013年【发射目的】开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验 • 【发射项目】是中国第一个真正意义上的空间实验室，发射时释放伴飞小卫星。【发射场地】中国酒泉卫星发射中心 • • • •
• 天宫一号
天宫系列
• 天宫一号是中国首个空间实验室的名称，中国将亍2010 年—2011年底发射“天宫一号”目标飞行器，分别不神舟八号、神舟九号、神舟十号飞船对接。从而建立第一个中国空间实验室。【飞行器名称】天宫一号【飞行器生产国家】中国【计划发射时间】2011年下卉年【发射目的】属亍航天发射第二步第二阶段空间实验室阶段任务，为中国航天第三步建设空间站做准备。【发射项目】发射两年后不神舟八号、神舟九号、神舟十号完成对接任务。【发射意义】标志着中国已经拥有建设初步空间站，即短期无人照料的空间站的能力。【运载火箭】改迚型长征二号F运载火箭
• •
•
• •

2022年河北中考语文 2022河北语文中考题及答案

2022年河北中考语文2022河北语文中考题及答案一．语言积累与运用（30分）：1.下列加点字注音完全正确的一项是（）(2分)A. 阴霾（mái）带挈（qì）姹（chà）紫嫣红B. 嗫（liè）嚅隘（ài）口韬（ tāo）光养晦C.惬（ qiè）意濒（bīn）临含辛茹（rú）苦D.悖（bèi）谬着（zhuó）落锲（qì）而不舍2.下列词语字形完全正确的一组是（）（2分）A. 抽壹琐屑适可而止颓恒断壁B. 嶙峋分泌未雨绸缪销声匿迹C. 怯懦蛊惑红装素裹死志不移D. 矜持萧条前呼后涌走投无路3．填在本段中横线处的词语最恰当的一项是( )（2分）借此机会，我愿重申，中国将高举和平、进展、合作旗帜，始终不渝走和平进展道路．始终不渝实施互利共赢的开放战略．连续致力于推动国际关系民主化,_______ 经济全球化朝着均衡、普惠、共赢方向进展,______人类文明沟通互鉴,_____人类赖以生存的地球家园,________世界和平稳定.A．推动促进呵护维护 B．推动提高呵护维持， C．推动提高爱护维护 D．推动促进爱护维持4.下列句子中没有语病的一句是（）（2分）A．在阅读名著的过程中，使我明白了做人的道理，感悟了人生的真谛。

B．三月的城南公园，繁花似锦，是一个漂亮动人的季节.C．小明收到了很多伴侣送来的礼物。

D．是否具有平安保障措施，这是北京奥运会能否举办胜利的重要条件之一。

5. 温家宝总理在十届全国人大四次会议记者款待会上回答香港《文汇报》记者的提问时说：“中国的总理懂得一个道理，就是知难不难，迎难而上，知难而进，永不退缩，不言失败。

”其中“知难不难”出自清代小说《儒林外史》其次十二回所引对联“读书好，耕田好，学好便好；创业难，_________，__________________”。

（2分）6.天灾无情人有情.为关心5.12四川汶川地区的受灾群众，义务献血的公民排起了长龙. 请拟一条以“公民无偿献血”为内容的公益广告词，字数在10～20字之间。

乐高嫦娥一号探月卫星教案

乐高嫦娥一号探月卫星教案成果简介2007年10月24日18时05分，中国第一颗绕月人造卫星“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心成功发射。

2009年3月1日，“嫦娥一号”完成使命，成功撞击月球表面预定地点。

“嫦娥一号”有效载荷研制测试由中国科学院空间科学与应用研究中心负责，探测器本体由中国空间技术研究院研制，其上搭载了包括γ射线谱仪、X射线谱仪、太阳高能粒子探测器等在内的8种24台件科学探测仪器，主要任务是获取科学探测数据，为中国后续月球探测任务进行先期试验验证。

“嫦娥一号”卫星首次绕月探测的成功，是我国探月史上里程碑式的跨越，填补了中国在探月活动中的空白，为中国的探月工程研究打下了坚实的基础。

历史背景把20世纪50年代至70年代的冷战时期，美国和苏联曾展开了一场大规模的以月球探测为中心的空间科学技术竞赛。

到21世纪初，美、俄、欧、日、印等国不约而同地启动了月球探测计划，掀起了探月的新一轮高潮。

中国在探月领域的空白让中国科学家们多年来苦心钻研。

早在1994年，中国就已组织相关专家对开展月球探测的必要性和可行性进行初步分析与论证，但由于种种原因，探月计划一直未能启动。

至2000年8月，在国防科工委的组织下，由王大珩等9位院士和总装备部、航天科技集团、科技部、中科院和高等院校专家组成评审组，对中国科学院提出的“月球资源探测卫星的科学目标与有效载荷”进行了论证评审。

2001年，由中国科学院相关单位组成专家研究小组，开展有效载荷等关键技术的攻关和地面应用系统等的研究工作，10月，中国月球探测计划项目正式立项。

2004年，中国月球探测一期工程正式启动，各项工作进入工程实施阶段。

创新历程同其他探月国家不同的是，中国的探月活动不走寻常路，从立项到成功发射仅用了不到三年的时间。

研发周期短暂意味着项目工程时间紧、任务艰巨，大批国内顶尖的科学家为了项目的准时完成，夜以继日、辛勤工作。

承担“嫦娥一号”研制任务的是一个年轻的团队，平均年龄不到30岁，卫星副总指挥龙江34岁，副总设计师孙泽洲37岁，总体主任设计师饶炜36岁。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

第34卷第1期 2008年2月空间控制技术与应用 AerospaceControlandApplication 29

嫦娥一号卫星的制导、导航与控制黄江川,张洪华,李铁寿,宗红 (北京控制工程研究所,北京100080)

摘要:嫦娥一号卫星是中国首颗月球卫星。卫星制导、导航与控制(GNC)任务复杂多变,对系统实时性、可靠性和精度要求较高。文章介绍嫦娥一号卫星GNC 系统组成、控制方法、系统特点和典型飞行结果。关键词:嫦娥一号卫星; 制导导航与控制; 月球; 系统中图分类号:TJ765文献标识码:A 文章编号:1674-1579(2008)01-0029-04

TheGuidance, NavigationandControlforCE-1Spacecraft HUANGJiangchuan, ZHANGHonghua, LITieshou, ZONGHong (BeijingInstituteofControlEngineering, Beijing100080,China)

Abstract:CE-1spacecraftisthefirstofaseriesofChinesemissionstothemoon.Thetasksperformedbytheguidance, navigationandcontrol(GNC) systemareverycomplexduetotherequirementsforrealtimecontro,lhighrealiability, and highaccuracy. This paperdescribesthe configuration, control methods, features, andflightresultsoftheGNCsystem. Keywords: CE-1spacecraf;tguidance, navigationandcontro;lmoon; system

1 引言中国第一颗大型月球探测航天器嫦娥一号卫星于2007年10月24日成功发射。2007年10月 31日,嫦娥一号卫星在预定时间和预定地点进入预定的地月转移轨道,2007年11月5日,嫦娥一号卫星在近月点进入预定的绕月轨道,2007年11月7~ 18日,嫦娥一号成功完成对月定向和三体指向控制在轨测试。嫦娥一号卫星GNC系统完成了许多复杂任务。在调相轨道,GNC系统执行一系列姿态机动和轨道控制,使卫星在适当时间转入地月转移轨道。在地月转移轨道,GNC系统保证卫星对太阳定向,并执行几次轨道中途修正,使卫星捕获预定环月轨道起

始点。在月球轨道捕获阶段,GNC系统执行几次轨控发动机点火,使卫星捕获月球轨道并进入标称环月轨道。在环月轨道,GNC系统使卫星本体对月球定向、太阳帆板对太阳定向、定向天线对地球定向。本文概要介绍嫦娥一号卫星GNC系统组成、控制方法、系统特点和典型飞行结果。

2 卫星运动模型与控制目标

嫦娥一号卫星是带有挠性太阳帆板、大型充液贮箱和中心刚体的复杂运动体,卫星运动包括刚体平动与转动、挠性振动、液体晃动等。引入坐标系:"Oi"代表惯性坐标系, "Ob"代表卫星本体坐标系,"Od"代表卫星目标坐标系。设从

收稿日期: 2007-12-08 作者简介:黄江川( 1961-),男,黑龙江人,研究员,研究方向为航天器制导导航与控制系统设计与实现(e-mai:l hjingchuan@126. com)。 - T . ~ . 4 T T 30 空间控制技术与应用 34卷 → "Ob"系旋转到"Od"系的欧拉轴单位矢量为k= T 阵。式(2)描述了卫星平动动力学,式(3)描述了卫星转动动力学,式(4)描述了卫星帆板转动动力学, [k1k2k3] ,欧拉角为φ,则"Od"系相对于"Ob" 系的姿态可用单位四元数表示: /'.q= [/'.-qT/'.q 其中: f'.q= [f'.q1 f'.q2f'.q3] ] φ , f'.q1=k1sin 2, 式(5)描述了卫星挠性振动动力学。卫星姿态控制目标就是使得本体系相对惯性系姿态与目标系相对惯性系姿态一致。姿态控制的目标姿态在不同阶段有不同取法。在巡航姿态, φ φ 卫星Xs轴对太阳定向并可以设定偏置俯仰角和角 6.q2=k2sin 2,6.q3=k3sin2是四元数的矢量部分, 速度绕太阳矢量方向旋转,此时目标坐标系 Xd轴取 q4= cos V 2 是四元数标量部分,满足|q4 | + 2 为指向太阳方向;在轨控阶段,卫星目标坐标系取为轨控点火目标姿态;在环月阶段,目标坐标系取 1f':-q2=1。记"Ob"系相对于"Oi"系的旋转角速度为ωs, "Od"系相对于"Oi"系的旋转角速度为ωd,则"Od" 系相对于"Ob"系的角速度为Aω=ωd -ωs。卫星目标系相对本体系运动学可以表示为: 为环月轨道坐标系。姿态控制目标可以简述为, 根据卫星运动学和动力学构造控制力矩使得"Ob"系跟踪"Od"系并抑制挠性振动。卫星轨道控制目标描述如下:根据卫星运动学和动力学构造控制力使得卫星在预定时间和预定 ð.q一 =1ð.ωð.q4 2 +1ð.ωð.-q 2 (1a) 地点获得预定速度增量, 实现轨道控制。 6.q4=-16.ω 6.q- (1b)

3 系统组成与控制方法 2

~ 其中:(.)表示相对时间导数,/'ω是角速度Aω的

反对称阵。卫星动力学模型可以简写如下[1,2]:

3.1系统组成

嫦娥一号卫星GNC系统的敏感器包括太阳敏 •• •• ••

MX+Ftr11r+Ftl11l=Ps (2)

• ~ .. .. Isωs+ωsIsωs+Fsr11r+Fsl11l+Rlasωla+Rrasωra=T

(3)

•• T ·

感器、星敏感器、紫外月球敏感器、速率积分陀螺和加速度计;执行机构包括飞轮装置、推力器、帆板驱动装置、天线驱动装置和轨控发动机;控制器包括控制计算机、应急计算机、配电器和二次电源。GNC Ilaωla+Flafll+Rlasωs=Tla (4a)

. .. T . 系统的软件包括控制计算机系统软件、应用软件, Iraωra+FraI1r+Rrasωs=Tra (4b)

.. 2 T•• T

应急软件和部件LTU软件。LTU通过内部总线与

llr+2 rωrllr+ωrllr +FtrX +Fsrωs=0 (5a) 控制计算机相连, 构成计算机控制网络。控制系统

•• • 2 T.. T

•

I1l+2slωlI1l+ωlI1l+FtlX +Fslωs=0 (5b) 的这种分布式体系结构保证GNC分系统高效、可

式中X是卫星平动位置列阵,ωs是卫星本体角速 ~ 度列阵,ωs是角速度列阵的反对称阵,M是卫星质

量阵,Is是卫星惯量阵,Ps是作用在卫星上外力列阵,Ts是作用在卫星上力矩列阵,ωla、ωra分别是左、右太阳帆板角速度列阵,ωl、ωr分别是左、右太阳帆板模态频率对角阵,ul、Ir分别是左、右太阳帆板模态坐标阵,1;l、1;r 分别是左、右太阳帆板模态阻尼系数阵,Ila、Ira分别是左、右太阳帆板惯量阵,Ftl、Ftr分别是左、右太阳帆板振动对本体平动的柔性耦合系数阵,Fsl、F sr分别是左、右太阳帆板振动对本体转动的柔性耦合系数阵,Fla、Fra分别是左、右太阳帆板振动对自身转动的柔性耦合系数阵,Rlas、Rras分别是左、右太阳帆板转动与卫星转动的刚性耦合系数阵,Tla、Tra分别是左、右太阳帆板上的控制力矩列靠、实时实现嫦娥一号卫星的控制功能和性能。 3.2巡航期间的姿态控制在卫星环月运行之前,除了轨控阶段,卫星运行于巡航姿态。姿态确定是利用太阳敏感器的输出给出太阳矢量方向在卫星本体系的表示, 然后根据太阳敏感器的安装矩阵计算卫星偏航角和俯仰角。巡航姿态角速度的确定是利用速率积分陀螺的输出,然后根据陀螺的安装矩阵计算卫星三轴姿态角速度。巡航姿态的控制分为太阳捕获和太阳定向两个阶段:在太阳捕获阶段, 根据0-1式太阳敏感器输出,利用相平面控制算法,通过推力器点火驱使卫星旋转使太阳矢量进入数字太阳敏感器视场;在太阳定向阶段,通过数字太阳输出和陀螺输出外推,根据系统动力学,利用相平面控制算法第1期黄江川等:嫦娥一号卫星的制导、导航与控制 31

和PID控制算法,通过推力器点火和飞轮转动保证卫星Xs轴指向太阳。巡航姿态控制的特点是卫星既可以绕Xs轴慢旋,也可以使Xs轴绕俯仰轴偏置并绕太阳矢量慢旋。这种运动状态一方面可满足卫星总体测控需求,另一方面可有效避免推力器喷气对卫星轨道的影响。巡航姿态控制在轨飞行结果见图1、图2。图中描述了从太阳捕获到太阳定向过程中星体对太阳指向的变化和三轴角速度的变化。由图可见:卫星准确捕获太阳并以高精度和高稳定度跟踪太阳。图1巡航姿态控制期间数字太阳敏感器( DSS)的输出曲线图2巡航姿态控制期间三轴角速度曲线 3. 3轨道控制奔月轨道的特点是预先设定地月转移标称轨道。实际轨道与标称轨道的初始微小偏差经5天的飞行放大,可能导致卫星撞月或离月。因此,变轨的高精度控制成为一大技术难点。而要实现变轨的高精度控制就要面对复杂的卫星对象。正如上节动力学描述,严格意义上讲,嫦娥一号卫星刚体平动与转动、挠性振动和液体晃动互相耦合,在快速机动过程又有三轴非线性耦合影响,控制系统稍有疏忽就可能引发多种运动与控制系统相互作用从而导致系统不稳定。要保证轨控精度, 卫星从太阳定向姿态就必须实施姿态快速机动转到轨控定向姿态,其中凸现三轴耦合的非线性问题;在490N发动机点火期间, 轨控定向要高精度维持预定惯性指向,其中凸现推力偏斜干扰、挠性振动和液体晃动的抑制问题; 490N 发动机必须在预定时间点开机并且在预定速度增量点关机,其中凸现点火时间精准问题。这些问题涉及一系列复杂的姿态机动控制、姿态维持控制和变轨制导控制,与此同时强调及时(实时性)、准确(高精度)和可靠(可靠性)。为此,GNC系统创造性地设计了星上网络控制系统,提出了在线规划调度和新型控制方法,高标准实现了变轨控制过程中的姿态控制和轨道控制。其中:卫星姿态确定利用了星敏感器与陀螺联合定姿算法;卫星姿态机动利用了基于四元数的高品质相平面控制算法;卫星姿态维持利用了基于四元数的"PID+滤波器"算法以及数字化脉宽调制算法; 卫星导航利用了高精度加速度计;卫星制导利用了高精度、高可靠关机策略。为保证系统可靠性,还创造性设计了自主故障诊断和系统重构以及自主变轨恢复方案。变轨控制期间第三次近地点加速的在轨飞行结果见图3、图4。由图表明,卫星在预定时间完成姿态机动和姿态保持,进而在预定时间进入轨控点火阶段并保持轨控定向姿态。在轨数据显示轨控精准,因此,原先拟定的三次中途修正减少到一次, 大大节省了宝贵的推进剂,为后续新的任务实施提供了良好条件。