摘要：针对以金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构的敏捷小卫星开展了先进机动控制算法的研究。在考虑控制力矩陀螺力矩约束及增量约束情况下,设计了基于非线性模型预测控制(NMPC)方法的卫星姿态快速机动控制律及操纵律。通过多种仿真分析了控制器设计参数变化对卫星姿态机动的影响,并与终端滑模控制方法进行了比较。实验结果表明,增大跟踪性能加权矩阵或延长预测时域均可以提高卫星姿态机动速度,缩短卫星姿态机动时间。设计的控制方法能够使卫星姿态在18s内实现40°的大角度快速机动,姿态指向精度和稳定度分别为0.01°和0.04(°)/s,与终端滑模控制方法相比,机动速度及稳态性均得到提高。本文方法为敏捷小卫星的在轨应用方式提供了理论支撑。

摘要：基于对国内外敏捷卫星带辅助支撑式太阳翼现状及存在问题的分析,开展了太阳翼的构型设计与布局优化,设计一种基于带簧铰链与自适应锁定式铰链的单臂支撑式高刚度太阳翼。利用支撑臂中部带簧铰链在弯折后形态可变的特性,解决了多连杆闭环机构收拢状态下的杆长匹配问题;利用太阳翼根部自适应锁定式铰链可自动调节锁定状态的特性,解决了展开末了过约束锁定的技术难题,实现了带辅助支撑式太阳翼根部铰链的可靠锁定功能。开展太阳翼展开静力矩裕度分析、模态分析和展开动力学分析,结果表明,太阳翼展开力矩裕度大于1,展开状态下基频大于8 Hz,展开过程顺畅无死点,展开末了冲击力不超过750 N。开展了太阳翼地面试验验证和在轨飞行验证,结果表明,该高刚度太阳翼满足敏捷卫星在轨长时间快速机动的使用要求。

摘要：针对敏捷卫星动中成像(APBI)自主任务规划所涉及的关键算法进行了研究。首先,基于载荷幅宽和卫星轨道设计了区域目标斜条带拼幅成像垂轨条带划分算法;其次,建立了描述观测点位置与成像时间关系的连续可导的斜条带成像轨迹模型,进而推导出了敏捷卫星动中成像的三轴姿态规划算法;再次,为了发挥出卫星的最大机动能力,提出了一种基于六阶多项式姿态机动模型的动中成像任务间最短姿态机动时间求解算法;然后,设计了兼顾观测效率与质量的两级任务优化调度算法,包括基于分支定界算法与两种裁剪枝规则的及早观测搜索和观测队列最佳窗口倒序平移,在最大化观测目标数量的基础上将成像质量调整到最优;最后,在星载处理器上进行了仿真实验,仿真结果证明了本文所提算法的正确性和有效性。

摘要：研究了基于双框架控制力矩陀螺(DGCMG)的敏捷小卫星对地凝视成像过程中的姿态跟踪控制。首先,根据敏捷小卫星的特点和凝视成像任务需求设计执行机构配置方案。然后,根据轨道信息计算地面凝视目标的相对姿态和角速度;为避免控制力矩陀螺(CMG)奇异性的影响,同时设计了适当的控制律和操纵律。最后,通过在"试验三号卫星"的姿态轨道控制系统仿真平台上增加凝视成像任务需求并调整执行机构配置,建立敏捷小卫星姿态控制系统,对文中设计的方案和控制方法进行了数学仿真验证。仿真结果表明,该算法简单有效,能够实现敏捷小卫星对地凝视姿态跟踪,同时给出了DGCMG能够输出的最小框架角速率指标决定了姿态跟踪精度的结论。

摘要：面向观测时间窗口相互重叠的多点目标观测任务需求,对敏捷卫星单星单轨任务规划问题进行研究。针对传统方法在卫星机动能力受限和成像任务冗余两种情况下求解效率低的缺陷,引入任务-姿态协同规划思想。首先,建立地面任务和空间姿态映射关系,并考虑相邻任务间姿态机动时间的最优性使得卫星在观测相邻任务时无多余等待时间,以此来设计任务-姿态协同规划数学模型。其次,根据任务-姿态协同规划数学模型,设计自适应伪谱遗传算法(APGA),用以求解满足调整时间最优性的敏捷卫星任务规划问题。最后,通过仿真实验,验证了模型和算法能够有效地解决传统算法求解敏捷卫星任务规划问题时存在的求解效率低的缺陷。

摘要：研究了以控制力矩陀螺(CMG)为执行机构的敏捷小卫星姿态控制系统控制律和操纵律的一体化设计.首先,采用4个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)构成典型的金字塔构型的CMG,并根据CMG的框架轴轴承会逐步退化建立CMG动力学模型.然后,基于自适应控制思想,设计控制律和操纵律一体化的控制器,同时考虑到为避免CMG奇异性影响,基于Lyapunov理论证明其组成的闭环系统渐近稳定.最后,通过建立敏捷小卫星闭环姿态控制系统对算法进行仿真验证,仿真结果表明该算法简单有效,能够实现敏捷小卫星快速姿态机动.

摘要：为满足新颖成像模式对卫星姿态快速机动或对规划姿态的高精度跟踪控制需求,本文针对金字塔构型控制力矩陀螺(Control moment gyroscopes,CMG)群与反作用飞轮为联合执行机构的挠性敏捷卫星,提出一种融合以Legendre伪谱法实现卫星姿态及CMG群框架角速度最优规划的前馈控制、以非线性模型预测控制(Nonlinear model predictive control,NMPC)实现最优轨迹反馈跟踪的复合控制方法.在前馈控制律设计中,充分考虑了CMG群的力矩输出能力、奇异性及振动抑制性能等约束,规划获得了最优的CMG群框架角速度、卫星的姿态角及角速度.在反馈控制律设计中,以飞轮输出力矩能力、姿态机动快速性及能量为约束,设计了具有滚动优化思想的跟踪算法,补偿由于初始状态及转动惯量偏差等带来的控制误差.研究结果表明,在转动惯量存在偏差情况下,本文的控制方法仍是有效的,且表现出较强的鲁棒性.

摘要：在分析敏捷卫星的特点和卫星多用户需求的基础上,针对敏捷卫星任务规划问题,基于Multi-Agent理论构建了任务分配模型;针对敏捷卫星任务规划初始方案调度中卫星资源失效的情况给出了敏捷卫星动态任务重调度模型;在此基础上,提出了基于诚信机制的可解约合同网任务分配方法,设计了招投标机制、可解约合同网协议以及招投标、评标策略;以敏捷卫星任务规划调度问题为例通过实验获得了满意的结果,表明了模型的合理性以及算法的有效性。

摘要：针对新一代敏捷卫星对地观测任务规划问题,考虑了直拍直传、立体成像、多条带拼接等复杂任务需求和观测、数据下传、对日定向等九种卫星动作,在任务规划的同时进行卫星动作规划。设计并实现了前瞻启发式构造算法,算法满足卫星存储、能量等复杂约束,在前瞻过程中每次决定当前任务是否安排。采用基于专家知识的多种启发式规则决定任务安排与安排卫星动作序列。仿真实例及实际工程应用表明,算法可以在很短的时间内给出较好的结果,证明了本文方法对于敏捷卫星任务规划问题的适用性。

摘要：针对对地观测敏捷卫星的大角度/位置的快速机动、高精度控制的任务需求,提出了一种敏捷卫星姿态确定算法。该算法利用对偶四元数推导出敏捷卫星运动学模型,并建立陀螺、星敏感器测量模型。通过对系统状态方程以及测量方程的线性化,应用自适应迭代扩展式卡尔曼滤波(adaptive iterated extended Kalman filer,AIEKF)算法对敏捷卫星的运动状态进行估计。仿真结果表明,所设计的算法能够有效估计系统状态噪声、测量噪声以及陀螺常值漂移,卫星的姿态角估计误差和角速度估计误差收敛至零,验证了算法的有效性。