敏捷小卫星姿态机动切换算法研究

随着空间技术的发展，要求小卫星具备更多的功能，对小卫星的敏捷性也相应提出了越来越高的要求。因此研制高精度、高稳定度的快速机动小卫星是当前一个重要的研究方向之一。纵观国外卫星的发展，大型卫星控制系统通常采用的执行机构是单框架控制力矩陀螺(SGCMG)。单框架控制力矩陀螺 （SGCMG）系统从性能上优于传统的飞轮系统，是敏捷小卫星首选的执行机构，但存在奇异问题，尤其是小卫星上应用，奇异问题更加突出。因此单框架控制力矩陀螺系统理论研究工作主要集中在如何避免奇异的研究上。针对控制力矩陀螺在小卫星应用开展研究，为控制力矩陀螺工程应用提供依据。利用刚体小卫星作为研究对象，提出了切换控制算法对小卫星机动进行控制，并对控制力矩陀螺的力矩进行合理调节，避免饱和奇异。利用添加零运动的伪逆操纵律对SGCMGs进行操控。仿真结果表明，小卫星俯仰轴14s内机动45°，平均速度达到3.2°/s。证明这种切换算法满足小卫星敏捷性需要。     

基于DSP的控制力矩陀螺外框驱动控制系统设计

控制力矩陀螺是大型对地观测卫星以及空间站姿态控制系统的关键执行部件,介绍了以TMS-320LF2407为核心进行了单框架控制力矩陀螺外框驱动控制系统设计,包括了DSP控制核心及其外围电路、RS422串行通信接口设计、模拟量输出与位置测角模块硬件设计,以及整个DSP硬件系统控制系统软件设计,并成功地应用于单框架控制力矩陀螺外框驱动控制系统样机。     

基于terminal滑模控制的小卫星机动方法

采用terminal滑模控制方法研究了以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为执行机构的小卫星的姿态机动控制。首先,基于修正罗德里格斯(MRP)参数建立了小卫星数学模型,以terminal滑模控制方法进行控制力矩规划。然后,采用SGCMGs作为小卫星执行机构,以非对角奇异鲁棒操纵律跟踪terminal滑模控制产生的期望力矩;通过仿真分析归纳出terminal滑模控制设计参数的变化规律和选取原则。最后,利用小卫星三轴气浮转台实验验证termianl滑模控制方法的实用性。实验显示:根据参数选取原则设定的参数进行小卫星机动稳定实验得到的姿态角和姿态角速度控制精度和稳态误差分别小于0.1°和0.01(°)/s,满足三轴气浮转台最佳控制精度。结果表明terminal滑模控制方法在小卫星机动稳定任务中具有很高的控制精度和稳定度,能够为小卫星成像任务稳定执行提供良好的基础。     

快速机动小卫星执行机构研究

近年来，随着空间技术的发展，航天任务对小卫星的机动能力提出了越来越高的要求，目前研制具备高机动能力的小卫星已成为各国的研究重点。采用控制力矩陀螺作为小卫星的姿态控制执行部件，凭借其输出力矩大、精度高等特点，可以使小卫星的机动能力得到大幅度提升。成功研制出利用控制力矩陀螺控制的小卫星将对我国进行外层空间探索有着重要的国防和军事上的意义。本文阐述了控制力矩陀螺的工作原理，设计了控制力矩陀螺原理样机，并利用单轴气浮转台进行了控制力矩陀螺半物理仿真实验，实验结果表明控制力矩陀螺作为小卫星执行机构，可在短时间内完成大角度机动，为控制力矩陀螺在我国小卫星上的实际工程应用提供依据。     

Review：A Survey of Single Gimbal Control Moment Gyroscope for Agile Spacecraft Attitude Control

综述：敏捷航天器姿态控制单框架控制力矩陀螺奇异分析

吴云华¹,韩锋¹,华冰¹,陈志明¹,徐大富²,葛林林¹

（1. 南京航空航天大学 航天学院,南京 210016;

2. 上海宇航系统工程研究所,上海 201108）

创新点说明：

姿态敏捷机动是下一代成像卫星的基本要求之一,而控制力矩陀螺托因其强大的力矩输出/放大能力将是敏捷卫星和大型航天器姿态控制的有力的执行机构。本文从构型、评价方法、动力学建模、奇异分析和操纵律设计等方面对控制力矩陀螺进行调研和分析。对于特定的航天任务,可以通过控制力矩陀螺评价方法选取合适的构型;对于控制力矩陀螺应用,其难点在于系统矩阵奇异时的求逆问题;针对奇异和操纵问题,本文应用不同的技巧和理论进行了分析,发现金字塔构型的控制力矩陀螺系统和奇异鲁棒操纵律能够较好的符合航天器对敏捷性要求。本文通过丰富的图表和算例给出了较为系统的控制力矩陀螺综述,有助于控制力矩陀螺的进一步研究。

研究目的：

姿态敏捷机动是未来航天器基本要求之一,而控制力矩陀螺作为敏捷航天器的有效执行机构可输出较大力矩以保证任务的完成。因此,本文就当前国内外控制力陀螺与敏捷卫星控制的基本研究现状进行了调研,并指出了现有研究中存在不足。

研究方法：

本文为综述性文章,主要研究方法为文献调研和必要的数学仿真与验证。文献调研：调研了国内外有关控制力矩陀螺相关研究,并对文献从构型、建模方法、奇异分析和操纵律设计等进行了分类和概括总结;数学仿真：针对文献中的建模方法、分析手段和操纵策略,利用数值仿真的方法进行了验证,并将相关结果呈现在文章中。

结果：

总结了控制力矩陀螺构型、建模方法、奇异分析和操纵方法。1）构型：分析了不同的构型（冗余与非冗余）的内在联系和彼此的演化关系;通过评价手段对比了各个构型的静态特性;2）建模方法：总结了4种建模方法,发现不同的方法具有不同的适用性;3)奇异分析：从奇异显化、奇异状态求解、零运动和微分几何等不同的角度分析了奇异特性,作为操纵律设计的基础：4）操纵方法：分析了不同的操纵律,从设计、系统误差和奇异逃离能力进行对比和概括总结。

结论：

在当前的控制力矩陀螺研究中,以金字塔构型为代表的最小冗余机构得到了广泛的关注,并且以其为研究对象的奇异鲁棒算法可以有效地应对奇异问题。同时,一些新的理论的引入丰富了奇异分析和算法设计的手段,给出了新的奇异避免思路。针对当前研究中存在的不足,我们指出后续的研究应该建立构型评价体系,从而可真对不同的任务选择合适的构型;同时,采用混合/异构执行机构来研究奇异规避问题。

关键词：敏捷航天器,单框架控制力矩陀螺,控制力矩陀螺构型;奇异与操纵律

     

基于DSP的控制力矩陀螺框架数字伺服系统

提出了一种基于TMS320F2812的单框架控制力矩陀螺外框架全数字伺服系统,通过分析控制性能的要求,确定带有电流环、速度环和位置环的三环控制方案,通过对三环的作用进行研究,应用工程化的频域设计方法设计电流环和速度环,给出位置环数字PID控制的改进方案;系统实现了低速高精度稳速控制,与模拟系统相比,控制算法更加方便,大大降低了功耗;在不同速度范围内对三环控制进行仿真和样机调试,结果表明该系统能够很好地实现框架高精度控制。