航天器控制基础思维导图

U462960257

2024-04-03

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控制基础

航天器

系统控制

航天器概论，姿态控制等内容讲解

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思维导图大纲

3-航天器控制系统结构

测量航天器状态信息的敏感器

红外地球敏感器

地球红外辐射场常被用于确定地球和外层冷空间边界的基准，而地球边界常被称为“地平”,因此地球敏感器常称为红外地球敏感器或红外地平仪

太阳敏感器

太阳是一个非常理想的参考基准。原因有两个:①太阳亮度强,使其不受其他天体曩;②对于近地航天器,近乎恒定的视直径(在1AU处,太阳视直径为).53°),不受轨道变化的影响。因此太阳敏感器是航天器必备的敏感器

星敏感器

星敏感器是以除太阳以外的恒星为参考基准,确定航天器相对惯性空间的姿态。星敏感器除了确定航天器姿态外,还可以用于修正陀螺漂移

磁强计

地磁敏感器(通常称为磁强计)可以测出地球磁场相对于航天器本体的方位,进而确定航天器相对轨道坐标系的姿态。

GPS

航天器定轨有多种手段:地面注入/星上递推、天文导航、导航星座导航和惯性导航等。

导航星座导航是利用已知的导航卫星作为参考基准,通过航天器与导航卫星进行测时和测距,确定航天器的位置

陀螺

惯性敏感器是一种自主式传感器,不依赖外部基准,用于测量航天器相对于惯性空间的状态变化。陀螺和加速度计是航天器控制系统常用的惯性敏感器。

输出力和力矩的执行部件

对于航天器控制所采用的执行机构而言,高可靠性、长寿命、高精度是其基本要求,直接关系到控制系统的寿命和精度。推力器、飞轮、磁力矩器和重力梯度力矩执行机构是最常用的。飞轮和推力器控制精度较高,环境型执行机构的控制精度较低,所以飞轮和推力器成为航天器控制主要的执行机构。

根据测量信息计算得到控制指令的控制器(姿轨控计算机)

卫星平台

支持有效载荷;维持有效载荷的合适温度;保持有效载荷的正确指向;使有效载荷处于正确轨道,并保持在这个轨道;提供电源、指令和遥测;提供数据存诸和通信功能等。所以,小卫星平台可以分为以下的各个分系统:星载计算机、姿轨控制、电源、推进、热控、测控、结构与机构

非自主

依赖于地面测轨和由地面决策并发出控制指令的控制方式称为非自主控制

自主

完全由卫星上的仪器设备独立完成轨道确定和姿态确定并发出控制指令的控制方式称为自主控制。卫星自主控制的关键是自主轨道确定和自主姿态确定

自主控制系统常常具有自主故障诊断、故障隔离和系统重构的能力。

卫星有效载荷

4-航天器轨道

轨道确定步骤

数据的获取和预处理

航天测控站内用于测量航天器轨道的设备有雷达、多普勒测速设备、光学设备、激光测速仪等。用这些设备对航天器进行跟踪测量,即可获得大量的用于航天器轨道设计的各种数据,这些数据必须加以预处理、剔除野值(非正常观测的劣值)、修正偏差(大气折射等)、整理和压缩数据

初轨确定

应用少量的数据确定粗略的轨道要素,作为轨道改进的初值

轨道改进

应用观测模型求解一组轨道要素,使得计算出的轨道和测量数据之间的差在加权最小

基本理论

(1)轨道误差估计理论

研究如何利用大量的观测数据求解精确的航天器轨道,这是轨道改进中的核心问题在实际中常用批量估计法(如加权最小二乘法)和序贯估计法(如广义的卡尔曼滤波法)

航天器轨道运动理论

轨道运动理论包括建立和求解航天器运动方程与摄动方程,对于有推力的主动段和返回地球或进入行星表面的轨道，一般采用数值计算方法

计算方法

轨道控制方法

非自主轨道控制

依赖地面设备获得航天器运动参数的导航方法为非自主导航,其轨道控制系统由航天器上的设备和地面设备混合组成

自主轨道控制

航天器上仪器不依赖地球或其他天体的导航或通信就可完全确定航天器运动参数然后由航天器上控制器给出控制指令,

轨道机动

轨道修正

航天器轨道保持

地球静止卫星的位置保持

对地观测卫星的轨道保持

具有轨道扰动补偿器的自主轨道保持

相对于其他卫星的位置保持

轨道确定方法

自主

自主导航要求卫星自身具有高精度实时定轨的能力。卫星自主导航的方法有天文导航、惯性导航(INS)、光学一惯性组合导航、Microcosm自主导航系统(MANS)和陆标跟踪系统等

非自主

常见的非自主轨道确定有地面跟踪测量和利用跟踪与数据中继卫星(TDRS)进行测量两种方法

TDRS方法用于对低轨道卫星的跟踪与测量,并将所采集的距离、距离变化率数据发送给所跟踪的卫星。TDRS的测轨精度优于地面站跟踪测轨系统

2-航天器数学模型

空间坐标系系统

研究轨道运动的常用坐标系

日心黄道坐标系

地心赤道坐标系

赤经赤纬坐标系

近焦点坐示系等

研究姿态运动的常用坐标系

惯性坐标系

质心轨道坐标系

质心平动坐标系

本体坐标系

典型轨道

地球同步轨道

地球静止轨道

太阳同步轨道

轨道摄动

航天器实际上并不沿着开普勒轨道运动,航天器轨道参数每时每刻都在变化,从而偏离由开普勒定律所确定的轨道,这种偏离现象称为摄动

地球扁率摄动

大气阻力摄动

月球和太阳引力摄动

辐射压摄动

电磁效应摄动和其他摄动

1-航天器概论

航天器的基本概念

航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间,基本上按照天体力学的规律运行的各类飞行器,又称空间飞行器

航天器的分类及其基本组成

按用途区分

科学卫星:用于科学探测和研究的卫星,主要包括空间物理探测卫星、天文探测卫星等。

应用卫星:直接为人类服务的卫星,包括通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星和多用途卫星等。

技术试验卫星:进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星

按功能区分

观察站:用于对地观察,包括侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星、海洋卫星等

中继站:在轨道上对信息进行放大和转发的卫星,包括通信卫星、广播卫星、跟踪和数据中继卫星

基准站:轨道上的测量基准点,包括导航卫星、测量卫星

轨道武器:具有空间防御和空间攻击的职能,包括拦截卫星、轨道轰炸系统。

通用载荷(保障系统

姿态控制系统

轨道控制系统

计算机系统

结构系统

热控制系统

电源系统

无线电测控系统

返回着陆系统

生命保障系统

应急救生系统

有效载荷(专用系统

天文卫星的天文望远镜、光谱仪和粒子探测器

察卫星的可见光照相机、电视摄像机或无线电侦察接收机;通信卫星的转发器和通信天线

通信卫星的转发器和通信天线

导航卫星的双频发射机、高精度振荡器或原子钟

返回式卫星的回收系统,航天飞机的着陆系统

航天器控制概述

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

轨道确定和轨道控制,即导航和制导

轨道机动或轨道转移,它涉及较大的轨道变化,例如在发射静止卫星时由停泊轨道向大椭圆的过渡轨道转移

轨道调整或轨道保持,它主要是为了消除轨道较小的偏差,例如通信、广播及中继卫星的位置保持,对地观测卫星的轨道及地面星下点轨迹位置的保持,以及卫星网名卫星之间相对位置的保持

轨道交会是指航天器能与另一个航天器在同一时间以相同速度达到空间同一位置而实施的控制过程

再人返回控制是指使航天器脱离原来的轨道,返回进人大气层的控制

姿态控制:对航天器质心施加力矩,以保持或按需要改变其在空间的定向的技术

姿态控制包括姿态确定和姿态控制两个方面,姿态控制又包括姿态稳定和姿态机动

姿态控制

定向:航天器的本体或附件以单轴或三轴按一定精度保持在给定的参考方向上

再定向:航天器本体从对一个参考方向的定向改变到对另一个新参考方向的定向

捕获:航天器由未知不确定姿态向已知定向姿态的机动控制过程

粗对准:初步对准

精对准:粗对准后的机动修正，以保证精度

跟踪:航天器本体或附件保持对活动目标的定向

搜索:航天器对活动目标的捕获

姿态稳定

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,来修正自旋轴定向误差

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参考空间的方向

被动控制: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。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

主动控制:测量航天器轨道和姿态,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,有两种组成方式

星上自主控制:完全由星载仪器实现的控制,如双自旋卫星的消旋控制和三轴稳定卫星姿态控制

地面控制:依赖于地面干预,由星载仪器和地面设备联合实现的控制,如自旋和双自旋卫星的姿态机动和目前多数卫星的轨道控制均采用地面控制方式

5-航天器姿态控制

姿态确定

姿态确定的主要任务是通过姿态敏感器测量信息,精确估计航天器的三轴姿态,一方面为姿态控制系统提供反馈信息,以更好地对航天器姿态实施控制;另一方面提供给有效载荷使用。姿态确定系统是航天器姿态控制系统中的必要组成部分,对姿态控制系统实现的精度及有效载荷在轨能否稳定工作起到决定性作用。

姿态测量就是利用卫星上的姿态敏感器获得包含卫星姿态信息的物理量(电压、电流或其他信息)。姿态确定就是对卫星姿态测量数据进行处理,给出卫星的姿态参数。姿态测量和确定是姿态控制的前提。常把实现姿态测量和姿态确定的那部分系统统称为姿态测量系统,它是姿态控制系统的组成部分。在自主姿态控制系统中,姿态测量和姿态确定都由卫星自主完成。

航天器被动姿态控制

双自旋卫星稳定系统

航天器主动姿态控制

喷气三轴稳定系统

以飞轮为主的三轴稳定系统

磁力矩器三轴稳定系统

自旋卫星的稳定性和章动性

航天器姿态机动

航天器的姿态捕获

6-航天器控制仿真

航天器控制仿真基本原理

系统建模

数学仿真

完成轨道动力学和姿态动力学的时域仿真和控制系统的稳定性分析

空间环境模型仿真

轨道计算

三轴稳定姿态确定与控制系统仿真

半物理仿真

半物理仿真(也称硬件在回路仿真)是将待测的控制系统各部件接入仿真回路,在运动仿真器、目标仿真器和仿真计算机等地面设备的配合下,模拟航天器在轨运行的状态,检验控制系统方案和系统实际性能,比数学仿真有更高的可信度。在仿真软件方面,半物理仿真软件必须运行在实时操作系统下,以保证其实时性,除包含动力学和运动学模块外,还包括定时控制、设备驱动、数据通信等模块。

全物理仿真

全物理仿真是指采用气浮台模拟航天器本体作为控制对象,控制系统采用实物所进行的仿真实验。它具有三个重要的特点:全物理仿真采用系统实物进行试验,能够发现控制系统设计和部件模型中存在的问题:避免了难以建立某些部件精确数学模型的问题:能有效地验证控制方案,为控制算法的实际应用创造条件。

模型实现

HLA)分布交互式仿真。该仿真的最大特点是仿真结点的分散性,通过网络技术把分散的洁点连起来,并组成一个复杂的仿真系统

在系统设计上,可以将复杂的仿真任务分解为简单的子任务,由各仿真节点分别实现,再通过各节点的交互共同实现复杂的仿真任务，从而实现了复杂航天器系统的解耦,简化了系统的设计工作。

系统功能结构

支持环境

支持环境的目的是辅助仿真应用管理人员管理仿真运行过程。支持环境主要有仿真任务管理、仿真参数配置、仿真模型库,仿真运行控制,仿真结果管理和仿真结果分析等一些基本功能。

运行环境

一个复杂的航天器分布式仿真系统,必须由运行环境来协调整个仿真系统的时间管理、数据分发、系统动态生成等工作。运行环境是整个仿真系统运行的总协调员。主要功能是为仿真应用提供仿真运行管理功能,如仿真过程的时间同步、仿真时钟的推进等;封装底层通信传输,并且提供数据过滤机制降低网络传输中的数据流量,提高仿真系统的运行速度:分离仿真业务逻辑、仿真运行管理逻辑和底层通信传输逻辑,提高整个仿真系统的可扩充性,便于实现仿真系统各个组成部分的在线构型。

航天器仿真系统

相应地建立航天器各组成部分的数学模型或者动力学模型。如航天器姿态动力学模型、控制器模型、敏感器模型、执行器模型、空间环境模型等

系统工作过程

仿真任务生成

据各种运行状况要求,利用仿真支持环境提供的工具生成航天器仿真任务,并完成任务运行所需的参数配置,包括系统运行模式生成、各分系统参数设定、系统时序编排等

仿真系统初始化

在仿真运行环境支持下,根据仿真任务配置对仿真系统各部分进行初始化

仿真系统运行

在仿真运行环境的统一管理下启动各个功能运行模块,对回路的各种实体进行仿真计算、结果分析等

仿真结果存储

仿真任务结束后,将仿真结果导人数据库存储。

仿真数据的管理

查看和浏览仿真结果并显示

系统结构设计

软件体系结构

根据航天器仿真平台系统要求和功能结构分析,实现数据的访问与管理的相对独立性,系统的软件结构一般采用表现层/应用服务层/数据服务层的三层结构。系统采用三层体系结构的目的,是为了将系统各项功能分离,提高各子系统自身的内聚性,降低各子系统之间的耦合性。

表现层设计

表现层主要描述用户的操作逻辑。用户操作逻辑分为仿真任务管理、仿真运行控制、仿真结果分析、仿真结果管理、仿真节点等部分。用户根据系统规定的操作逻辑完成航天器仿真平台的各种操作。界面和业务的分离,不但可以满足用户对界面的苛刻要求,还可以让界面对象专注于用户交互和操作导航,适应多变的业务需求,而不会受到业务变化的影响。

应用服务层设计

应用服务层主要负责业务处理,提供业务逻辑等各种约束。主要工作包括各仿真节点的时间同步管理、数据交互管理,数据传递机制以及对数据库的访问等。应用服务层是整个航天器仿真平台的核心。将应用服务和客户界面分离,可以进一步细化和分解业务。通过将业务分解成不同的业务对象,可以提高业务对象的内聚力,降低业务对象间的耦合度,从而实现针对不同的业务对象进行维护和管理,避免由于对象过度耦合而造成相互影响。

数据库设计

数据库逻辑结构设计主要是数据关系表的设计,由于表结构是用于建立数据库的信息模型。应根据任务需求的不同,设计专用的表结构,在航天器仿真平台数据库中设计了五类基本表,分别是仿真模型相关表、仿真设备相关表、仿真任务相关表、仿真结果相关表和数据用户相关表。在数据库设计中,考虑到航天器仿真平台可能进行多种不同的仿真任务,每种仿真选择的模型和设备不同、产生的原始数据不同、监控的状态数据不同,如果以穷举法为每种可能的仿真设计一组表结构显然是不合理的。因此,在表结构设计思想中采取了只定义信息模型,而由用户输人定制信息,并自动生成满足用户需要的表结构。

仿真实验