航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)課件1.

1、航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制講授教師：榮思遠(yuǎn)學(xué)科專(zhuān)業(yè)：飛行器設(shè)計(jì)緒論緒論航天技術(shù)是一門(mén)研究和實(shí)現(xiàn)如何把航天器送人空間，并在 那里進(jìn)行活動(dòng)的工程技術(shù)。它主要包括航天器、運(yùn)載工具 和地面測(cè)控三大部分。為了便于了解，我們首先對(duì)航天器 進(jìn)行分類(lèi).同一個(gè)航天器可兼有數(shù)種任務(wù)，故機(jī)械地、絕對(duì)地分類(lèi)， 是不可能的。同一類(lèi)航天器，往往包括了幾種系列，而每 一系列又可分成數(shù)種不同的衛(wèi)星系統(tǒng)或型號(hào)。緒論單自旋穩(wěn)定航天器風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星雙自旋穩(wěn)定航天器對(duì)3電定向 衛(wèi)星（化象衛(wèi)星.資源.偵查衛(wèi)星等）對(duì)天體定向的航天器嫦娥一號(hào)衛(wèi)星（三體定向）緒論XSS-10H.對(duì)其他衛(wèi)星跟蹤利定向的航天器緒論天線對(duì)其他衛(wèi)星跟蹤和定向的航天器緒論

2、緒論ETS-VIIKHatNKcNa nsr mex/t* w11本技術(shù)實(shí)齡衛(wèi)星7號(hào)(ETS VII)緒論對(duì)地對(duì)日定向 機(jī)動(dòng)Y太削尤力向?qū)r(shí)地定向 侖態(tài)機(jī)動(dòng)對(duì)日定向模式對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)人造地球衛(wèi)星的功能分類(lèi)繼站觀測(cè)站偵察衛(wèi)里.氣象工里地球資源衛(wèi)星n海洋衛(wèi)星.預(yù)警衛(wèi)星核爆炸探測(cè)衛(wèi)星天文規(guī)測(cè)衛(wèi)星通信衛(wèi)星廣播衛(wèi)星跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星軌道武器導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)地衛(wèi)星有效載荷保障系統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)可見(jiàn)光或CCD相機(jī)粒子探測(cè)器天文望遠(yuǎn)鏡紅外探測(cè)器無(wú)線電偵察接收機(jī)紅外掃描輻射儀電視攝像機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)熱控制系統(tǒng)電源系統(tǒng) GNC系統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)回收系統(tǒng)環(huán)境控制系統(tǒng)交會(huì)與對(duì)接系統(tǒng)基準(zhǔn)站攔截衛(wèi)星軌道轟炸系統(tǒng)緒論航天器的基本系統(tǒng)組

3、成緒論航天器控制的基本概念一個(gè)剛體航天器的運(yùn)動(dòng)可以由它的位置、速度、 姿態(tài)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)來(lái)描述。其中位置和速度描述航天器 的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，這屬于航天器的軌道問(wèn)題；姿態(tài)和姿態(tài) 運(yùn)動(dòng)描述航天器繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于姿態(tài)問(wèn)題。從運(yùn) 動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，一個(gè)航天器的運(yùn)動(dòng)具有6個(gè)自由度, 其中3個(gè)位置自由度表示航天器的軌道運(yùn)動(dòng)，另外3個(gè) 繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度表示航天器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng).緒論航天器的控制可分兩大類(lèi)：軌道控制；姿態(tài)控制 軌道控制對(duì)航天器的質(zhì)心施以外力，以有目的地改變其運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)。 軌道控制包括軌道確定和軌道控制兩方面的內(nèi)容。軌道確定的任務(wù)是研丸如何確定航天器的位置和速度，有時(shí) 也稱為空間導(dǎo)航，簡(jiǎn)稱導(dǎo)航；軌道控制

4、是根據(jù)航天器現(xiàn)有位置、速度、飛行的最終目標(biāo)， 對(duì)質(zhì)心施以控制力，以改變其運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)，有時(shí)也稱為制導(dǎo)按應(yīng)用方式可分為四類(lèi)：軌道機(jī)動(dòng)：指使航天器從一個(gè)自由飛行段軌道轉(zhuǎn)移到另一 個(gè)自由飛行段軌道的控制.例如，地球靜止衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中為 進(jìn)入地球靜止軌道，在其轉(zhuǎn)移軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)就須進(jìn)行一次軌道 機(jī)動(dòng).軌道保持：指克服攝動(dòng)影響，使航天器軌道的某些參數(shù)保 持不變的控制.軌道交會(huì)：指航天器能與另一個(gè)航天器在同一時(shí)間以相同 速度達(dá)到空間同一位置而實(shí)施的控制過(guò)程。再人返回控制：指使航天器脫離原來(lái)的軌道，返回進(jìn)入大 氣層的控制.緒論:姿態(tài)控制對(duì)航天器繞質(zhì)心施加力矩，以保持或按需要改變其在空間的定向 的技術(shù)。姿態(tài)控

5、制也包括姿態(tài)確定和姿態(tài)控制兩方面內(nèi)容。姿態(tài)確定是研究航天器相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)的確定姿態(tài)方法.這 個(gè)基準(zhǔn)可以是慣性基準(zhǔn)或者人們所感興趣的某個(gè)基準(zhǔn)，例如地球姿態(tài)控制是航天器在規(guī)定或預(yù)先確定的方向（可稱為參考方向 ）上定向的過(guò)程，它包括姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機(jī)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定是指使姿 態(tài)保持在指定方向，而姿態(tài)機(jī)動(dòng)是指航天器從一個(gè)姿態(tài)過(guò)渡到另 一個(gè)姿態(tài)的再定向過(guò)程.緒論姿態(tài)控制通常包括以下幾個(gè)具體概念：定向：指航天器的本體或附件（如太陽(yáng)能電池陣.觀測(cè)設(shè)備、 天線等）以單軸或三軸按一定精度保持在給定的參考方向上.此 參考方向可以是慣性的，如天文觀測(cè)；也可以是轉(zhuǎn)動(dòng)的，如對(duì)地 觀測(cè).粗對(duì)準(zhǔn)：指初步對(duì)準(zhǔn)，通常須用較大的控制力矩

6、以縮短機(jī)動(dòng)的 時(shí)間，但不要求很高的定向精度.精對(duì)準(zhǔn)：指粗對(duì)準(zhǔn)或再定向后由于精度不夠而進(jìn)行的修正機(jī)動(dòng).以保證定向的精度要求.精對(duì)準(zhǔn)一般用較小的控制力矩.緒論再定向：指航天器本體從對(duì)一個(gè)參考方向的定向改變到對(duì) 另一個(gè)新參考方向的定向.再定向過(guò)程是通過(guò)連續(xù)的姿態(tài)機(jī)動(dòng) 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。捕獲：又稱為初始對(duì)準(zhǔn)，是指航天器由未知不確定姿態(tài)向 己知定向姿態(tài)的機(jī)動(dòng)控制過(guò)程.如航天器人軌時(shí)，星箭分離， 航天器從旋轉(zhuǎn)翻滾等不確定姿態(tài)進(jìn)入對(duì)地對(duì)日定向姿態(tài)；又如 航天器運(yùn)行過(guò)程中因故障失去姿態(tài)后的重新定姿等。跟蹤：指航天器本體或附件保持對(duì)活動(dòng)目標(biāo)的定向.搜索：指航天器對(duì)活動(dòng)目標(biāo)的捕獲.緒論姿態(tài)穩(wěn)定是保持已有姿態(tài)的控制，航

7、天器姿態(tài)穩(wěn)定 方式按航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的形式可大致分為兩類(lèi).自旋穩(wěn)定：衛(wèi)星等航天器繞其一軸（自旋軸）旋轉(zhuǎn)， 依靠旋轉(zhuǎn)動(dòng)童矩保持自旋軸在慣性空間的指向.自旋穩(wěn) 定常輔以主動(dòng)姿態(tài)控制，來(lái)修正自旋軸指向誤差。三軸穩(wěn)定：依靠主動(dòng)姿態(tài)控制或利用環(huán)境力矩，保 持航天器本體三條正交軸線在某一參考空間的方向。緒論 姿態(tài)控制與軌道控制的關(guān)系航天器是一個(gè)比較復(fù)雜的控制對(duì)象，一般來(lái)說(shuō)軌道控 制與姿態(tài)控制密切相關(guān).為實(shí)現(xiàn)軌道控制，航天器姿態(tài)必須 符合要求。也就是說(shuō)，當(dāng)需要對(duì)航天器進(jìn)行軌道控制時(shí)，同 時(shí)也要求進(jìn)行姿態(tài)控制在某些具體情況或某些飛行過(guò)程中 ,可以把姿態(tài)控制和軌道控制分開(kāi)來(lái)考虎。某些應(yīng)用任務(wù)對(duì) 航天器的軌道沒(méi)有嚴(yán)

8、格要求，而對(duì)航天器的姿態(tài)卻有要求。緒論航天器控制按控制力和力矩的來(lái)源可分兩大類(lèi):被動(dòng)控制：其控制力或力矩由空間環(huán)境和航天器動(dòng)力 學(xué)特性提供，不需要消耗星上能源。主動(dòng)控制：包括測(cè)量航天器的姿態(tài)和軌道，處理測(cè)量 數(shù)據(jù)，按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制指令，并執(zhí)行指令產(chǎn) 生對(duì)航天器的控制力或力矩。主動(dòng)控制需要消耗電能或工 質(zhì)等星上能源，由星載或地面設(shè)備組成閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。緒論主動(dòng)控制系統(tǒng)的組成航天器主動(dòng)控制系統(tǒng)，無(wú)論是姿態(tài)控制系統(tǒng)還是 軌道控制系統(tǒng)，都有兩種組成方式?？粘逧機(jī)設(shè)想圖緒論星上自主控制：指不依賴于地面干預(yù)，完全由星緒論緒論儀器實(shí)現(xiàn)的控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖緒論緒論緒論地面控制：或稱星一地大回路控

9、制，指依賴于地面干預(yù)，由星載儀器和地面設(shè)備聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的控制，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。緒論章節(jié)安排第一部分航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)緒論第1章航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)第2章航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)基本方程第3章空間環(huán)境力矩1第4章自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)第5章重力梯度穩(wěn)定航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)第6章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)緒論章節(jié)安排第二部分航天器姿態(tài)控制第7章航天器姿態(tài)確定基礎(chǔ)第8章 自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)確定*第9章三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)確定第10章自旋、雙自旋航天器的姿態(tài)控制第11章 三軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)控制第12章航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述緒論參考書(shū)目1. 空間0行器姿態(tài)控制系統(tǒng)楊大明編著.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,200

10、22. 衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制屠善澄主編.宇航出版社,20013. 衛(wèi)星軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制章仁為編著北京航空航天大學(xué)出版社,19984. 空間飛行器E行動(dòng)力學(xué)劉瞰、趙均著。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,20035. 空間飛行器動(dòng)力學(xué)與控制卡普蘭著北京:科學(xué)出版社,1981第4章航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)航天器常用坐標(biāo)系每種坐標(biāo)系都有其自己的特點(diǎn),此也就只適用于一定的范圍，所以根據(jù)具體情況選擇坐標(biāo)系是必要的。一般來(lái)說(shuō) ,討論航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)常用的坐標(biāo)系如下：慣性坐標(biāo)系：所有的運(yùn)動(dòng)都要參照的基本坐標(biāo)系是慣性坐標(biāo)系.質(zhì)心平動(dòng)坐標(biāo)系：這是一個(gè)與慣性坐標(biāo)系密切相關(guān)的坐標(biāo)系原點(diǎn) 位于航天器質(zhì)心，坐標(biāo)軸分別與某一慣性坐標(biāo)系的坐

11、標(biāo)軸保持平行.軌道坐標(biāo)系：這是一個(gè)以航天器質(zhì)心為原點(diǎn)的正交坐標(biāo)系.本體坐標(biāo)系：又稱為星體坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系中，原點(diǎn)在航天器質(zhì) 心，三個(gè)軸固定在航天器本體上。若三個(gè)坐標(biāo)軸為航天器的慣量主軸，則 該坐標(biāo)系稱為主軸坐標(biāo)系.航天器常用坐標(biāo)系黃道、赤道、春分點(diǎn)航天器常用坐標(biāo)系航天器常用坐標(biāo)系Greenwich f 午而道面地心赤道旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系航天器常用坐標(biāo)系軌道坐標(biāo)系和星體坐標(biāo)系的示意圖姿態(tài)參數(shù)歐拉角基元旋轉(zhuǎn)矩陣姿態(tài)參數(shù)歐拉角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)0sin0 cosO,g(&) y若要將參專(zhuān)系O-X YZ中的軌道農(nóng)達(dá) 轉(zhuǎn)換到固定參考系 XYZ電需執(zhí)行 以下操作：丁科 *XWJ 叱rmw.：2.以O(shè)X為軸.反向旋轉(zhuǎn)1角

12、度該操作數(shù)學(xué)表達(dá)式是：/ XyJ)1000cos0一 sinO坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)X)|COS0-sin0、2V =sincos0yZ )001將參考系O-XYZ,轉(zhuǎn)換到(1以O(shè)ST力軸，反向旋怯“，4”峻 L以O(shè)X為紬反向險(xiǎn)4如會(huì)峻3.以O(shè)乃為軸，反向旋轉(zhuǎn)G角度 該操作數(shù)學(xué)表達(dá)式足：= R“)y0 = G另外，繞Y軸旋轉(zhuǎn)&角的操作足:= R) y姿態(tài)參數(shù)歐拉角方向余弦矩陣和ZXZ順序歐拉角的關(guān)系C(pSy/+ S(pC6Ci/_ S(pSt/ + CtfCOCy/一 SOCy/StpSOC(pSOc&Cg屮- StpCOSi/G =匚9) (&)(%)= -SQw-CqCe/S0Sp = cos:(C

13、jj)倍)姿態(tài)參數(shù)歐拉角zxy旋轉(zhuǎn)順序姿態(tài)參數(shù)歐拉角2.方向余弦矩陣和zxy順用的歐拉角的關(guān)系C6C屮 gSOSy/S0C 屮 + SpC8Sy/COSt/ SpSOCy/C亦pSBSyz- SpC 處 -5S歹s卩C(pC0cesw-seCgyz+SeSOW-S(pSy/ + CpSOSy/ C(fC0姿態(tài)參數(shù)歐拉角3.方向余弦矩陣和zyx順序的歐拉角的關(guān)系C護(hù)(0& W )9 (&)匚(w) = -5S0+W述爐 S(pSi/ + CqSOCi/。二 sin (_C 訂)姿態(tài)參數(shù)-歐拉軸/角缶=cosEj +(l-cos)eeT -sinPewcos + e；(1 -cosP) exev(1 -cos)+ e,sin e