摘要：为解决微纳卫星利用固体火箭推进器进行快速轨道机动时的姿态翻滚问题,提出了利用质量矩技术对卫星的俯仰、偏航通道姿态进行稳定控制。首先考虑推进剂燃烧、质量块运动等因素引起的系统质量特性参数的变化,建立质量矩固体推进微纳卫星姿态动力学模型;然后分析了推进剂燃烧、质量矩控制引入的系统模型参数不确定性、连续有界未知干扰;随后基于反演控制方法,设计了卫星姿态角和姿态角速度双回路自适应滑模动态面控制器,利用自适应算法调节控制参数估计来补偿不确定因素的影响;基于Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了控制算法的有效性,卫星姿态稳定调节时间小于1s,姿态稳定误差小于0.5%。

摘要：为了满足立方体卫星对姿控计算机高性能、低功耗以及具有丰富的外设接口的要求,该文基于低成本、低功耗的STM32芯片设计立方体卫星姿控计算机。首先对立方体卫星任务进行总体分析,提出姿控计算机的总体设计方案;然后根据需求对姿控计算机硬件系统进行设计,重点对主控芯片的选型、主芯片基础外围电路的设计以及主芯片与姿控各部组件的接口电路设计进行阐述;最后对姿控计算机实物进行了试验验证。结果表明,基于STM32芯片设计的模块化的立方体卫星姿控计算机,具有集成度高、低成本、低功耗、高性能、质量轻、工程适用性强等优点。

摘要：尽管固体火箭推进器应用于微纳卫星平台拥有诸多优点,但此类小型固体火箭推进器推力矢量难以测量。对此,提出一种利用惯性传感器量测值映射推力矢量大小的方法,开展地面动态飞行实验。首先,基于牛顿欧拉法和变质量系统理论建立地面实验系统的动力学模型,分析卫星的动力学与运动学特性;然后,构建惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)的量测方程,结合系统动力学中推力矢量与惯性传感器量测值间的映射关系,推导推力矢量测量模型;最后,通过仿真分析影响推力矢量测量精度的误差来源,并对惯性传感器的安装构型进行优化设计。通过数值仿真实验,在优化设计后,该测量方法可保证主推力和侧向推力测量精度均优于0.3%。

摘要：针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动.建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器.为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略.最后,为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明:姿态机动过程中,与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰,优化效果明显;姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰,提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于±0.1°.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.

摘要：提出应用质量矩控制技术实现纳卫星轨道机动过程中的姿态稳定控制。在设计出质量矩滑块构型后,利用动量和动量矩定理推导了八自由度(DOF)动力学模型,并根据动力学分析结果建立了简化控制模型。以此为基础,基于全局滑模控制理论设计了俯仰偏航通道姿态稳定和滑块位置跟踪的鲁棒控制器,并在参数不确定性条件下对控制系统进行了仿真,结果表明:所设计的二维质量矩控制系统能快速控制卫星姿态,并对系统扰动具有较强的鲁棒性,可以应用于纳卫星变轨段的姿态控制。

摘要：针对轨道高度低于300 km的立方体卫星的姿态控制问题,设计了基于主动磁控制的姿态控制方案,并根据其气动外形建立了气动力矩模型,重点研究了质心与形心的相对位置对姿态控制的干扰。仿真结果表明,质心与形心的相对位置对低轨立方体卫星的姿态控制精度影响很大,且轨道越低影响越明显。该结论对立方体卫星或类似外形的微小卫星的结构设计及布局有指导意义。

摘要：针对使用固体火箭发动机进行立方体卫星快速变轨机动过程中存在的姿态翻转问题,创新性地提出应用质量矩控制技术实现其姿态稳定。首先推导了完整的八自由度动力学模型,并深入分析了质量矩控制机理;然后利用仿真手段对质量块移动产生的附加扰动力矩以及系统耦合进行了研究,并指导了执行机构的布局优化设计;最后提出的双对称执行机构保证了附加扰动小的同时还大幅降低了通道间耦合。仿真表明该系统具有良好的操纵性。

摘要：针对使用固体火箭发动机进行卫星快速变轨机动时的姿态翻转问题,提出使用二维质量矩控制技术予以解决。首先分析了喷气阻尼力矩对三轴稳定卫星姿态的影响,随后建立了考虑推进剂燃烧过程的完整动力学模型,并从通道耦合以及扰动力矩角度对模型特性进行了分析;最后利用仿真手段对质量矩控制卫星姿态的可行性进行了仿真分析,同时考察了发动机不同装药形式以及外形尺寸对控制系统操纵性能的影响。结果表明:二维质量矩控制卫星姿态是切实可行的,且短粗型的发动机结构对控制系统设计更加有利。

摘要：设计了一种面向立方体卫星的姿态确定传感器——模拟式太阳敏感器。通过测得太阳光线的入射角度,从而解算出在卫星本体坐标系下的太阳矢量信息。敏感器理论设计精度为1°,质量为9 g,尺寸为32 mm×19.7 mm×8.1 mm,视场角为112°。本设计进行了光学头部、处理电路的设计,并编写了相应的算法程序。通过外场试验验证了设计的合理性,满足了应用要求。设计的太阳敏感器具有体积质量小、成本低等优点,在立方体卫星领域有广阔的应用前景。