应用非冗余控制力矩陀螺的卫星姿态控制
发布时间：2021-02-12 23:25
伴随着航天技术的发展和人类对空间探索需求的日益增加,敏捷机动卫星和对地观测卫星受到广泛关注和研究,其在资源勘探、远程通信等方面发挥着重要作用。而其中卫星的姿态机动能力则很大程度决定了执行各项任务的效率和精度。在常用的执行机构中,控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope,简称CMG）作为一种角动量交换装置,因其在飞轮基础上通过转动框架改变角动量方向输出控制力矩的工作原理,具有仅依靠电能工作、输出力矩连续、控制精度较高等优点,逐渐在卫星的姿态稳定和姿态机动中得到了广泛应用,但CMG存在其原理上特有的几何奇异问题,当所有输出力矩共面或共线时,在与之正交的方向上则无法输出力矩。另外,由于框架这一机械结构和配套电气结构的增加,出现故障的概率增加。尤其是当CMG完全故障后只剩三个可以工作时,非冗余CMG无法提供额外的自由度回避奇异,如果人为添加力矩致使误差过大,会大大降低控制精度,因此有必要针对故障后的非冗余CMG作分析和操纵策略设计。本论文源于某研究所的CMG操纵方法研究项目,针对非冗余CMG研究以下几方面内容:首先对本论文的相关研究现状做了系统的调研,包括CMG产品型号、...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各类CMG示意图
在机械结构复杂可靠性不高的问题，因此现今的研究仍然主要围绕转速恒定的CMG进行。1.2.1.2控制力矩陀螺构型在工程上CMG以对称安装居多，因为非对称形式在某个CMG失效时力矩输出特性会发生突变。其中对称安装又分为成对安装和非成对安装两种。成对安装通过在同一方向上轴对称安装两个完全相同的CMG，可以显著降低奇异面的复杂度，其中最常见的包括双平行、三平行构型等。非成对安装则与之相反，每轴上仅安装单个CMG但所有CMG整体成对称构型，以保证任意CMG失效后的构型不受过多影响，其中常见有金字塔和五棱锥构型等。图1-2常见CMG构型工程中在选取构型时往往会遵循以下几点原则：首先角动量和输出力矩要满足任务要求，尽量保证各方向输出能力相等，角动量包络接近于球形；另外还要考虑奇异点分布是否便于设计奇异规避操纵律，操纵律尽量简单易行；构型应具有一定的冗余度和可靠性，以及成本、体积、质量、能耗等因素。在CMG选型方面，文献[3]通过构型效益、奇异面复杂度等指标的对比计算，得出五棱锥构型显奇异点靠近角动量包络，构型较优的结论。文献[4]对金字塔和五棱锥构型正常及各种失效情况下的各种指标进行系统分析，并与动量轮做对比，发现金字塔CMG与四斜装动量轮的混合构型具有最佳的可重构性。1.2.1.3控制力矩陀螺技术及产品型号CMG根据其转子支撑方式的不同可分为机械控制力矩陀螺和磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）。其中机械控制力矩陀螺通常使用滚珠轴承或陶瓷球轴承作为框架轴承，轴承磨损、油膜润滑等问题一直是影响CMG寿命和可靠性的重要因素。而与之相比，MSCMG通过磁悬浮技术的应用能够无接触地支撑高速旋转的转子，因此具有振动孝可靠性高等优点，但机械方面的优化却也带来了因增加电气组件后的可靠性问题，另外由于磁悬浮?
m旗下）生产的两种主要型号CMG（4-6S和15-45S），可为中小型卫星提供3°/s的快速机动能力，其中15-45S型CMG已在Pleiades和SPOT系列卫星上在轨应用。另外，也有科研单位为在小型航天器上应用CMG实现姿态控制开发微小型CMG，如HoneybeeRobotics开发的CMG标称角动量为56mNms输出力矩为112mNm，重量仅为600g。部分市面上已有CMG产品及相关参数如表1-1所示。国内CMG于上世纪90年代才开展CMG产品的研制工作，但近年来已形成角动量从5Nms到1000Nms各规格的系列产品，其中200NmsCMG应用于天宫一号成为中国的首次CMG在轨应用。图1-3M50型CMG规格参数
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械臂运动学建模及解算方法综述[J]. 冷舒,吴克,居鹤华. 宇航学报. 2019(11)
[2]单框架控制力矩陀螺部分失效时的空间站姿态机动方法[J]. 赵乾,唐国金. 国防科技大学学报. 2015(06)
[3]大型单框架磁悬浮控制力矩陀螺研制关键技术研究[J]. 高光磊,姚竹贤,付红伟,王亚楠,牛立新. 导航与控制. 2015 (01)
[4]挠性航天器姿态机动的变论域自整定模糊PID控制[J]. 魏凤美,赵育善,师鹏. 中国空间科学技术. 2014(06)
[5]卫星混合执行机构的可重构性研究[J]. 胡宇桑,王大轶,刘成瑞. 航天控制. 2014(03)
[6]附加框架角速度的SGCMG操纵律设计[J]. 李力文,周军,黄河,刘莹莹. 宇航学报. 2014(01)
[7]空间飞行器大角度姿态机动混合H2/H∞控制[J]. 马清亮,郑建飞,蔡宗平,孔祥玉. 哈尔滨工业大学学报. 2012(11)
[8]轨迹优化的直接数值解法综述[J]. 张友安,王丽英,张刚,黄诘. 海军航空工程学院学报. 2012(05)
[9]基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制[J]. 赵琳,闫鑫,郝勇,高帅和. 宇航学报. 2012(04)
[10]基于Gauss伪谱法和直接打靶法结合的月球定点着陆轨道优化[J]. 彭祺擘,李海阳,沈红新,唐国金. 国防科技大学学报. 2012(02)
博士论文
[1]基于角动量交换的航天器姿态机动控制方法研究[D]. 郭延宁.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3031591
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各类CMG示意图
在机械结构复杂可靠性不高的问题，因此现今的研究仍然主要围绕转速恒定的CMG进行。1.2.1.2控制力矩陀螺构型在工程上CMG以对称安装居多，因为非对称形式在某个CMG失效时力矩输出特性会发生突变。其中对称安装又分为成对安装和非成对安装两种。成对安装通过在同一方向上轴对称安装两个完全相同的CMG，可以显著降低奇异面的复杂度，其中最常见的包括双平行、三平行构型等。非成对安装则与之相反，每轴上仅安装单个CMG但所有CMG整体成对称构型，以保证任意CMG失效后的构型不受过多影响，其中常见有金字塔和五棱锥构型等。图1-2常见CMG构型工程中在选取构型时往往会遵循以下几点原则：首先角动量和输出力矩要满足任务要求，尽量保证各方向输出能力相等，角动量包络接近于球形；另外还要考虑奇异点分布是否便于设计奇异规避操纵律，操纵律尽量简单易行；构型应具有一定的冗余度和可靠性，以及成本、体积、质量、能耗等因素。在CMG选型方面，文献[3]通过构型效益、奇异面复杂度等指标的对比计算，得出五棱锥构型显奇异点靠近角动量包络，构型较优的结论。文献[4]对金字塔和五棱锥构型正常及各种失效情况下的各种指标进行系统分析，并与动量轮做对比，发现金字塔CMG与四斜装动量轮的混合构型具有最佳的可重构性。1.2.1.3控制力矩陀螺技术及产品型号CMG根据其转子支撑方式的不同可分为机械控制力矩陀螺和磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）。其中机械控制力矩陀螺通常使用滚珠轴承或陶瓷球轴承作为框架轴承，轴承磨损、油膜润滑等问题一直是影响CMG寿命和可靠性的重要因素。而与之相比，MSCMG通过磁悬浮技术的应用能够无接触地支撑高速旋转的转子，因此具有振动孝可靠性高等优点，但机械方面的优化却也带来了因增加电气组件后的可靠性问题，另外由于磁悬浮?
m旗下）生产的两种主要型号CMG（4-6S和15-45S），可为中小型卫星提供3°/s的快速机动能力，其中15-45S型CMG已在Pleiades和SPOT系列卫星上在轨应用。另外，也有科研单位为在小型航天器上应用CMG实现姿态控制开发微小型CMG，如HoneybeeRobotics开发的CMG标称角动量为56mNms输出力矩为112mNm，重量仅为600g。部分市面上已有CMG产品及相关参数如表1-1所示。国内CMG于上世纪90年代才开展CMG产品的研制工作，但近年来已形成角动量从5Nms到1000Nms各规格的系列产品，其中200NmsCMG应用于天宫一号成为中国的首次CMG在轨应用。图1-3M50型CMG规格参数
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械臂运动学建模及解算方法综述[J]. 冷舒,吴克,居鹤华. 宇航学报. 2019(11)
[2]单框架控制力矩陀螺部分失效时的空间站姿态机动方法[J]. 赵乾,唐国金. 国防科技大学学报. 2015(06)
[3]大型单框架磁悬浮控制力矩陀螺研制关键技术研究[J]. 高光磊,姚竹贤,付红伟,王亚楠,牛立新. 导航与控制. 2015 (01)
[4]挠性航天器姿态机动的变论域自整定模糊PID控制[J]. 魏凤美,赵育善,师鹏. 中国空间科学技术. 2014(06)
[5]卫星混合执行机构的可重构性研究[J]. 胡宇桑,王大轶,刘成瑞. 航天控制. 2014(03)
[6]附加框架角速度的SGCMG操纵律设计[J]. 李力文,周军,黄河,刘莹莹. 宇航学报. 2014(01)
[7]空间飞行器大角度姿态机动混合H2/H∞控制[J]. 马清亮,郑建飞,蔡宗平,孔祥玉. 哈尔滨工业大学学报. 2012(11)
[8]轨迹优化的直接数值解法综述[J]. 张友安,王丽英,张刚,黄诘. 海军航空工程学院学报. 2012(05)
[9]基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制[J]. 赵琳,闫鑫,郝勇,高帅和. 宇航学报. 2012(04)
[10]基于Gauss伪谱法和直接打靶法结合的月球定点着陆轨道优化[J]. 彭祺擘,李海阳,沈红新,唐国金. 国防科技大学学报. 2012(02)
博士论文
[1]基于角动量交换的航天器姿态机动控制方法研究[D]. 郭延宁.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3031591
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3031591.html
