衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制2

衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制2匯報(bào)人：薛夢(mèng)軒目錄1概述2課本內(nèi)容3工作映射

1概述衛(wèi)星姿態(tài)確定的基本方法參考矢量法慣性測(cè)量法統(tǒng)計(jì)估值法姿態(tài)測(cè)量和姿態(tài)確定的最基本方法之一在星體內(nèi)部建立慣性基準(zhǔn)，測(cè)量星體相對(duì)此基準(zhǔn)的姿態(tài)變化測(cè)量數(shù)據(jù)量大，種類多，涵蓋誤差，有冗余空間基準(zhǔn)場(chǎng)地球熱輻射場(chǎng)1.大氣輻射反射2.地球大氣固有輻射太陽(yáng)、恒星方向場(chǎng)太陽(yáng)的方向場(chǎng)經(jīng)常用作空間基準(zhǔn)場(chǎng)無(wú)線電波場(chǎng)地磁場(chǎng)地磁場(chǎng)可作為姿態(tài)測(cè)量的基準(zhǔn)場(chǎng)，地磁矢量為參考量姿態(tài)敏感器方向姿態(tài)敏感器慣性姿態(tài)敏感器測(cè)量空間基準(zhǔn)場(chǎng)的儀表，能敏感空間基準(zhǔn)場(chǎng)矢量在姿態(tài)敏感器坐標(biāo)中的分量值光學(xué)敏感器無(wú)線電敏感器磁場(chǎng)敏感器力學(xué)敏感器包括各種陀螺，利用高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的軸在空間指向穩(wěn)定的原理工作位置陀螺速率陀螺2自旋、雙旋衛(wèi)星的姿態(tài)確定2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)信息測(cè)量自旋衛(wèi)星的姿態(tài)指的是衛(wèi)星自旋軸在慣性空間的方位。自旋衛(wèi)星通常使用以下姿態(tài)敏感器：紅外地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、星敏感器、陸標(biāo)敏感器。2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)姿態(tài)確定的精度自旋衛(wèi)星的姿態(tài)確定可看成在天球上由觀測(cè)量求出兩條以上姿態(tài)軌跡的交點(diǎn)。實(shí)際測(cè)量中，由于誤差，單個(gè)測(cè)量將給出一個(gè)軌跡帶而不是一條線，貸款依賴于觀測(cè)誤差，兩條測(cè)量帶交出一個(gè)姿態(tài)區(qū)。

2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)姿態(tài)確定的精度測(cè)量值的誤差大小誤差靈敏度系數(shù)兩條姿態(tài)軌跡帶的相關(guān)角定姿誤差影響因素：

2.1自旋、雙旋衛(wèi)星姿態(tài)章動(dòng)阻尼當(dāng)衛(wèi)星的角動(dòng)量方向與主軸方向不一致時(shí)，再無(wú)外力矩作用時(shí)，一般情況下其運(yùn)動(dòng)是帶有章動(dòng)運(yùn)動(dòng)的非純自旋運(yùn)動(dòng)。因此，衛(wèi)星上通常都安裝被動(dòng)章動(dòng)阻尼器或章動(dòng)阻尼系統(tǒng)。測(cè)量章動(dòng)通常使用軸向加速度計(jì)和光學(xué)敏感器。2.2三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的姿態(tài)確定三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)確定的任務(wù)是利用星上的姿態(tài)敏感器測(cè)量所得的信息，經(jīng)過(guò)處理，求得固連于衛(wèi)星本體的坐標(biāo)系相對(duì)空間某參考系中的姿態(tài)。慣性姿態(tài)對(duì)地姿態(tài)2.2利用地敏、太敏確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)

2.2地敏、太敏測(cè)量三軸衛(wèi)星姿態(tài)誤差：敏感器的測(cè)量誤差隨機(jī)測(cè)量誤差、系統(tǒng)測(cè)量誤差測(cè)量基準(zhǔn)的誤差紅外輻射圓盤(pán)中心的方向矢量相對(duì)地心矢量存在誤差軌道參數(shù)的誤差敏感器的安裝誤差此為系統(tǒng)誤差太陽(yáng)星歷數(shù)據(jù)+太陽(yáng)矢量方向+衛(wèi)星軌道參數(shù)2.2利用星敏感器確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)星敏感器是姿態(tài)敏感器中最精確的測(cè)量?jī)x器，測(cè)量精度可達(dá)角秒級(jí)。由于恒星相對(duì)于慣性空間的方位是已知的，且保持不變，因此星敏測(cè)量值可確定衛(wèi)星相對(duì)于慣性空間的姿態(tài)參數(shù)，結(jié)合該時(shí)刻的軌道參數(shù)，可從慣性姿態(tài)轉(zhuǎn)換得到衛(wèi)星相對(duì)軌道坐標(biāo)的對(duì)地姿態(tài)。2.2星敏測(cè)量三軸衛(wèi)星姿態(tài)誤差：敏感器的測(cè)量誤差CCD陣列的暗電流，（隨機(jī)誤差）；光學(xué)系統(tǒng)畸變（系統(tǒng)測(cè)量）軌道參數(shù)的誤差敏感器的安裝誤差此為系統(tǒng)誤差星敏的測(cè)量數(shù)據(jù)+衛(wèi)星軌道參數(shù)2.2利用軌道羅盤(pán)確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)：滾動(dòng)角俯仰角偏航角紅外地敏滾動(dòng)角與偏航角的耦合關(guān)系估計(jì)由陀螺和紅外地敏構(gòu)成的確定衛(wèi)星三軸姿態(tài)角軌道羅盤(pán)2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星姿態(tài)確定測(cè)量數(shù)據(jù)以一定的采樣間隔不斷產(chǎn)生，數(shù)據(jù)量大，種類繁多，且需要將不同類姿態(tài)敏感器測(cè)量數(shù)據(jù)組合起來(lái)綜合處理。這類由大量的姿態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)求得具有某種統(tǒng)計(jì)意義上最優(yōu)的衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)的方法為衛(wèi)星姿態(tài)確定的統(tǒng)計(jì)方法。

聯(lián)合處理的測(cè)量值數(shù)目越大，每次單個(gè)測(cè)量誤差影響越小，計(jì)算結(jié)果越精確，這就是統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法的基本原理。2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：狀態(tài)矢量：X姿態(tài)參數(shù)測(cè)量參數(shù)姿態(tài)敏感器性能參數(shù)衛(wèi)星軌道相關(guān)參數(shù)衛(wèi)星慣性特性

——系統(tǒng)狀態(tài)方程2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：觀測(cè)矢量：Z姿態(tài)敏感器直接輸出敏感器測(cè)量量處理導(dǎo)出

——觀測(cè)方程最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。

最小二乘法是常用的狀態(tài)估值方法，對(duì)個(gè)別野值不敏感，所給出的狀態(tài)估值穩(wěn)定性好，地推算法占內(nèi)存小，適合在線計(jì)算。2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：卡爾曼濾波一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過(guò)程。

卡爾曼濾波理論于50年代末提出，伺候被迅速?gòu)V泛應(yīng)用于工程實(shí)際，并不斷完善和擴(kuò)展。目前國(guó)內(nèi)外很衛(wèi)星姿態(tài)確定都應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)。2.3統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論：2.4自旋穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制：自旋穩(wěn)定衛(wèi)星控制的基本任務(wù)：自旋轉(zhuǎn)速控制、章動(dòng)阻尼、自旋軸進(jìn)動(dòng)和發(fā)生平旋后的自旋恢復(fù)。噴氣控制磁力矩控制衛(wèi)星姿態(tài)控制方法星上控制星—地大回路開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制產(chǎn)生控制力矩的方法2.4自旋穩(wěn)定衛(wèi)星章動(dòng)阻尼及控制：阻尼章動(dòng)就是通過(guò)消耗章動(dòng)的動(dòng)能而使自旋軸與角動(dòng)量矢量重合被動(dòng)式章動(dòng)阻尼器，內(nèi)裝阻尼物質(zhì)章動(dòng)敏感器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式被動(dòng)章動(dòng)阻尼主動(dòng)章動(dòng)控制2.4自旋穩(wěn)定衛(wèi)星消旋系統(tǒng)：消旋控制系統(tǒng)是一個(gè)鎖相控制系統(tǒng)，以裝在衛(wèi)星自旋體上的紅外地平儀的地中脈沖為輸入信號(hào)，通過(guò)調(diào)整消旋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使天線脈沖和地中脈沖重合，即此時(shí)天線波束指向地心，且在相位鎖定時(shí)，天線相對(duì)于自旋衛(wèi)星反方向旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速與衛(wèi)星相同。消旋方式電子消旋機(jī)械消旋消旋控制系統(tǒng)組成敏感器消旋組合件執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器2.5三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的噴氣控制：以噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)是一種主動(dòng)式凌東亮姿態(tài)控制系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、指向精度高，適用于各種軌道上運(yùn)行的有各種指向要求的衛(wèi)星。系統(tǒng)特性可在軌道任何位置工作適用于非周期性大干擾力矩場(chǎng)合控制力拒遠(yuǎn)大于耦合力矩噴氣力矩大，過(guò)度時(shí)間短采用固定推力發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)方式2.5三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的角動(dòng)量交換裝置控制：衛(wèi)星不受外力矩作用時(shí)，按角動(dòng)量守恒原理，輪系角動(dòng)量的變化（大小與方向），必將引起衛(wèi)星本體角動(dòng)量的反向變化?，F(xiàn)代三軸姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星普遍采用：三軸正交安裝的反作用輪、三軸正交安裝和第四個(gè)等傾角斜裝的騙紙動(dòng)量輪構(gòu)成的零動(dòng)量系統(tǒng)，固定安裝或V型斜裝偏置動(dòng)量系統(tǒng)及雙框架動(dòng)量輪。2.5三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)捕獲與姿態(tài)機(jī)動(dòng)：

姿態(tài)捕獲是指從未知的或不控的初始姿態(tài)，達(dá)到飛行任務(wù)所期望的姿態(tài)的控制過(guò)程。

姿態(tài)機(jī)動(dòng)是指由一種姿態(tài)過(guò)渡到另一種要求姿態(tài)的控制過(guò)程。常用四元數(shù)控制可避免奇異性，星上計(jì)算機(jī)占用內(nèi)存少，還能實(shí)現(xiàn)某種意義下的最優(yōu)機(jī)動(dòng)。姿態(tài)捕獲地球—太陽(yáng)太陽(yáng)—地球陀螺地球敏感器太陽(yáng)敏感器系統(tǒng)測(cè)試基本都采用半物理仿真實(shí)驗(yàn)方法，及衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)用數(shù)字模型代替，控制系統(tǒng)部件部分或全部接入試驗(yàn)回路。通常，敏感器裝在運(yùn)動(dòng)模擬器上，用目標(biāo)模擬器激勵(lì)響應(yīng)的光學(xué)敏感器。姿態(tài)敏感器所需測(cè)試用電信號(hào)源測(cè)試敏感器的處理線路用運(yùn)動(dòng)模擬器和目標(biāo)模擬器測(cè)試敏感器的性能和功能測(cè)試系統(tǒng)組成姿控系統(tǒng)產(chǎn)品系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備運(yùn)動(dòng)模擬器目標(biāo)模擬器2.5衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的測(cè)試：2.5衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的測(cè)試：3工作映射功率計(jì)和功率傳感器波導(dǎo)功率傳感器在50至110GHz頻率范圍內(nèi)執(zhí)行精確、可靠的測(cè)量。是德波導(dǎo)功率傳感器具備最佳SWR、高可靠性和低損耗，并配有50MHz校準(zhǔn)端口，可以降低測(cè)量不確定度。功率計(jì)和功率傳感器USB和局域網(wǎng)功率傳感器通過(guò)即插即用的USB連通性，您可以快速和輕松地對(duì)功率傳感器進(jìn)行設(shè)置。只需將傳感器連接到PC上，便可使用捆綁軟件立即執(zhí)行功率測(cè)量。KeysightUSB功率傳感器可以讓您夢(mèng)想成真―簡(jiǎn)單的設(shè)置，發(fā)揮遠(yuǎn)超傳感器的功能。功率計(jì)和功率傳感器USB和局域網(wǎng)功率傳感器通過(guò)即插即用的USB連通性，您可以快速和輕松地對(duì)功率傳感器進(jìn)行設(shè)置。只需將傳感器連接到PC上，便可使用捆綁軟件立即執(zhí)行功率測(cè)量。KeysightUSB功率傳感器可以讓您夢(mèng)想成真―簡(jiǎn)單的設(shè)置，發(fā)揮遠(yuǎn)超傳感器的功能。功率計(jì)和功率傳感器P系列功率計(jì)N8262A是一款小型超薄、符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的P系列模塊化功率計(jì)。它能幫助您減小測(cè)試系統(tǒng)體積，通過(guò)LAN執(zhí)行自動(dòng)功率測(cè)量。由于LXI測(cè)試實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并且N8262A能夠與現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行互操作，您的系統(tǒng)可以隨時(shí)投入測(cè)試。30MHz視頻帶寬，支持100MSa/s的快速連續(xù)采樣在連接到被測(cè)設(shè)備的狀態(tài)下進(jìn)行歸零和校準(zhǔn)頻率范圍：50MHz－40GHzUSB、LAN和GPIB鏈接后向兼容所有的8480、E系列以及P系列傳感器（每個(gè)傳感器均需N1917A電纜）。功率計(jì)和功率傳感器EPM和EPM-P系列功率計(jì)EPM系列：可在9kHz至110GHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)量-70dBm至+44dBm的平均功率EPM和EPM-P系列提供高性能、可編程的功率計(jì)，以執(zhí)行連續(xù)波、平均功率和峰值功率測(cè)量。EPM-P系列：與E932XA功率傳感器一起使用，可以在高達(dá)18GHz頻率上測(cè)量-65dBm至+20dBm的峰值功率、平均功率和時(shí)間選通功率。它可通過(guò)GPIB或RS232接口利用PC軟件進(jìn)行完整的脈沖和統(tǒng)計(jì)分析。功率計(jì)和功率傳感器N432A和432A熱敏電阻功率計(jì)432A/N432A功率計(jì)是一款自動(dòng)自平衡的功率計(jì)，可與溫度補(bǔ)償熱敏電阻傳感器結(jié)合使用高效率和良好的射頻（RF）匹配是478A和8478B同軸及486系列（現(xiàn)已停產(chǎn)）波導(dǎo)熱敏電阻底座的特征，它們覆蓋從10MHz到40GHz的頻率范圍。每個(gè)熱敏電阻底座均提供數(shù)據(jù)，顯示六個(gè)頻率上的校準(zhǔn)系數(shù)和有效效率，這些數(shù)據(jù)可以直接追溯到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）在這些頻率上的標(biāo)準(zhǔn)。NIST在這些頻率上提供校準(zhǔn)服務(wù)。功率計(jì)和功率傳感器V3500A手持式射頻功率計(jì)V3500A手持式射頻功率計(jì)是一款緊湊型手持式儀器，在現(xiàn)場(chǎng)和制造應(yīng)用中均可精確地測(cè)量射頻功率。V3500A擁有±0.21dB的絕對(duì)精度、10MHz至6GHz的廣泛頻率范圍及-63dBm至+20dBm的測(cè)量范圍，適用于各種射頻測(cè)量應(yīng)用。10MHz至6GHz的廣闊頻率范圍適用于各種應(yīng)用-63dBm至+20dBm的寬動(dòng)態(tài)范圍集成的功率傳感器，省去了攜帶單個(gè)功率傳感器的麻煩內(nèi)部的功率參考可進(jìn)行自我校準(zhǔn)±0.21dB的絕對(duì)精度可以使用電池、交流直流轉(zhuǎn)換器模塊或通過(guò)USB接口連接到電腦上來(lái)供電功率計(jì)和功率傳感器53140系列微波計(jì)數(shù)器/功率計(jì)/DVMKeysight53147A微波計(jì)數(shù)器/功率計(jì)/DVM是集全功能20GHzCW微波計(jì)數(shù)器、真正功率計(jì)以及直流DVM全部功能于一身的便攜式一體機(jī)。它將3種最常用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的儀器集成到一臺(tái)設(shè)備中，是安裝和維護(hù)點(diǎn)到點(diǎn)微波鏈路的理想工具。在ATE系統(tǒng)中，三合一儀器53147A還可節(jié)省寶貴的機(jī)架空間。Keysight53140系列是集連續(xù)波/微波頻率計(jì)數(shù)器、真正功率計(jì)以及直流DVM全部功能于一身的便攜式一體機(jī)。它將三種最常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量功能整合到一臺(tái)儀器中，是用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波鏈路安裝與維護(hù)的理想工具。在ATE系統(tǒng)中，這種三位一體的53140系列還可