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文檔簡介
1、一、軌道控制的一般概念二、軌道轉(zhuǎn)移 三、軌道保持,第六課_空間飛行器軌道控制,人造航天器同自然天體一樣,其運動總是遵守力學定律的,但航天器還可通過主動控制改變其運動規(guī)律。 根據(jù)航天器現(xiàn)有位置、速度、飛行的最終目標,利用發(fā)動機推力或環(huán)境力(如空氣動力、太陽光壓力)對航天器的質(zhì)心施以控制力,主動地改變其飛行軌跡稱為軌道控制。,一、軌道控制的一般概念,控制系統(tǒng)硬件組成 航天器控制系統(tǒng)需完成三個最基
2、本的過程:敏感測量、信號處理和執(zhí)行過程。因此由敏感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成。敏感器用以測量某些絕對的或相對的物理量,執(zhí)行機構(gòu)起控制作用,驅(qū)動動力裝置產(chǎn)生控制信號所要求的運動,控制器則擔負起信號處理的任務。,軌道控制的實現(xiàn)過程與速度增量計算 衛(wèi)星從一個軌道轉(zhuǎn)移到另一個軌道,通常是利用假定在瞬時之間作用的速度增量完成的;也就是說,可以用單個或幾個推力沖量來調(diào)整或改變軌道。,軌道控制的實現(xiàn)過程如下
3、 (1)由敏感器測量獲得航天器的位置及速度矢量; (2)根據(jù)飛行目標軌道及速度矢量,設計變軌位置(或時間)和所需要的速度增量; (3)計算實現(xiàn)這一速度增量需要的變軌發(fā)動機的控制參數(shù); (4)在設計的變軌位置,利用執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動變軌發(fā)動機動作,提供設計的速度增量。 可見速度增量計算是軌道控制設計中的重點。,(1)相交軌道的速度增量 相交軌道的軌道轉(zhuǎn)移如圖6.1所示。
4、 圖6.1 相交軌道的軌道轉(zhuǎn)移,軌道 與軌道 在同一平面內(nèi)相交,為了使衛(wèi)星從 軌道轉(zhuǎn)移到 軌道,需要在兩軌道的交點 處加一個速度增量 ,并滿足關系式 ,其中 與 分別是軌道 與軌道 在 處所對應的衛(wèi)星速度。,(2)不相交軌道的速度增量 要完成兩個不相交軌道間的轉(zhuǎn)移,通常需要有兩個速度增量;如圖6.2所示,衛(wèi)星利用速度增量通
5、過中間軌道完成軌道到軌道的轉(zhuǎn)移。和前面一樣,速度增量必須具有這樣的大小和方向,使得合成的速度矢量對應于新軌道在給定點的應有值。圖6.2 不相交軌道的軌道轉(zhuǎn)移,和新舊兩軌道相切的轉(zhuǎn)移軌道如圖6.3所示,這里所加的速度增量與衛(wèi)星的速度矢量平行,這種類型的轉(zhuǎn)移往往代表一種燃料消耗量較小的軌道轉(zhuǎn)移。圖6.3 切線轉(zhuǎn)移軌道,(3)非共面相交軌道的速度增量及控制誤差計算 設控前軌道的兩個拱點矢徑為 和
6、 ,擬在拱點 處變軌,欲使控后軌道的另一拱點矢徑變?yōu)?,且使軌道平面繞拱線轉(zhuǎn)角 ,見圖6.4圖6.4 拱點機動,所需變軌速度增量為 (6.1) 其中 和 分別為控前軌道和目標軌道在變軌點速度: (6.2) (6.3)式
7、中, 為地球引力常數(shù),變軌姿態(tài)應使推力矢量在當?shù)厮矫鎯?nèi),與目標軌道平面的夾角 為 (6.4) 若只考慮速度增量誤差 (由發(fā)動機沖量誤差和衛(wèi)星質(zhì)量誤差引起)、速度增量矢量在水平面內(nèi)方向誤差 (由姿態(tài)誤差和發(fā)動機推力偏斜引起)和控前速度誤差 (測軌誤差),則控制后的速度誤差為:(6.5),軌道平面傾角誤差為
8、 (6.6) 一般, 與速度增量 成比例,隨著 減小, 也成比例減小,因而 , 也減小,且最終取決于測軌精度。 使用可重復啟動的變軌發(fā)動機(例如液體雙組元發(fā)動機),可將軌道機動分數(shù)次完成,最后一次速度增量減小,因而減小了變軌誤差。,控制時刻計算 根據(jù)控制程序、目標軌道和控制軌道實測值,可算出所需要的速度增量矢量 和理論
9、控制時刻。 以人造地球衛(wèi)星的軌道機動為例。為了節(jié)省燃料,軌道機動一般在軌道拱點(即近地點或遠地點)進行,且速度增量矢量沿著軌道切向,此時,控制點是控制軌道的拱點,也是目標軌道的拱點。,發(fā)動機控制參數(shù)計算 如使用噴氣發(fā)動機進行軌道控制,可根據(jù)所需要的速度增量 及有關發(fā)動機特性參數(shù)計算發(fā)動機控制參數(shù)。,若發(fā)動機連續(xù)工作,則工作時間為 (6.
10、7)式中 ——衛(wèi)星控制前總質(zhì)量; ——發(fā)動機平均噴射速度; ——平均推力。,若發(fā)動機脈沖工作(如自旋衛(wèi)星情況),則工作次數(shù)為 (6.8)的整數(shù)部分,式中 為有效脈沖寬度; 可按連續(xù)推力時間確定。 燃料消耗量為 (6.9),航天
11、器為了從初始軌道轉(zhuǎn)移到終止軌道而進行的可控制運動稱為軌道轉(zhuǎn)移機動或簡稱軌道轉(zhuǎn)移。 本節(jié)討論共面圓軌道之間的轉(zhuǎn)移。在兩沖量的情況下,霍曼(Hohman)轉(zhuǎn)移為最佳轉(zhuǎn)移;然而在三沖量的情況下,可找到更省能量的雙橢圓轉(zhuǎn)移軌道,但雙橢圓轉(zhuǎn)移更省能量是有條件的(終止軌道與初始軌道的半徑比大于11.939)。,二、軌道轉(zhuǎn)移,關于最佳軌道轉(zhuǎn)移問題涉及面較廣泛,因此,這里只討論一下經(jīng)典的霍曼轉(zhuǎn)移。這個問題通常表述如下: 給定的是一
12、個沿半徑為 的圓形軌道 運行的衛(wèi)星;要確定以最小的燃料消耗量把衛(wèi)星從軌道 轉(zhuǎn)移到半徑為 的圓形軌道 所需要的速度增量。,霍曼轉(zhuǎn)移對向外軌道轉(zhuǎn)移和向內(nèi)軌道轉(zhuǎn)移都適用。因此,不失一般性,先討論向外軌道轉(zhuǎn)移問題,如圖6.5所示。圖6.5 霍曼轉(zhuǎn)移軌道,對于向外轉(zhuǎn)移,沿切線方向提供第一個沖量,以便使初始圓周速度增加 ,這樣就可以使衛(wèi)星進入近地點恰好等于軌道A半徑的橢圓轉(zhuǎn)移軌道。然后
13、在轉(zhuǎn)移軌道遠地點提供第二個切向沖量,使衛(wèi)星進入目標軌道,完成整個轉(zhuǎn)移。,在前面的課程里已經(jīng)提到,二體系統(tǒng)的軌道方程 (3.33)其中 為角動量 的模,表達式如下 (4.7),軌道1為圓軌道,偏心率e=0,對于圖示的切線方向速度 與矢徑 的夾角為90度,因此角動量的模為帶入二體系統(tǒng)軌道方程3.33,可
14、得即圓軌道1上a點的飛行速度為: (6.10),轉(zhuǎn)移軌道2為橢圓軌道,在a點,真近角(偏心率 和矢徑 的夾角)為0度,帶入軌道方程,有,可得到轉(zhuǎn)移軌道2在 點的飛行速度為: 偏心率為,,代入 式得 (6.11)在 點上,從圓軌道1,轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移軌道2所需要的速度增量為
15、 (6.12),,,由開普勒第二定律( )可得 在軌道2上運行時角動量守恒 , ,因此軌道2在 點的飛行速度為 (6.13),同理可求得,目標軌道3在b點的飛行速度為:所以在 點上,從轉(zhuǎn)移軌道2轉(zhuǎn)移到目標軌道3所需要的速度增量為 (6.14),克服攝動影響,使航天器軌道的
16、某些參數(shù)保持不變的控制,稱為軌道保持。,三、軌道保持,近地圓軌道的保持(1) 軌道要素設計要求 近地圓軌道常用于對地遙感觀測的應用任務,根據(jù)遙感應用的類型和星載遙感儀器的性能,衛(wèi)星軌道的高度設計在 范圍,軌道的主要特點是太陽同步兼回歸軌道。為便于衛(wèi)星圖像資料的處理和應用,要求星載遙感儀器對地觀測的陽光條件、對地球覆蓋的銜接以及通過同地區(qū)的高度都具有較高的穩(wěn)定性,例如,
17、軌跡通過赤道的橫移變化量不超過3km,在緯度 上,不超過4.5km。,對于太陽同步兼回歸軌道,因傾角偏差 和半長軸偏差 引起軌跡每圈赤道橫移的角度偏差 為(6.15)式中, ——軌道周期; ——太陽的回歸周期; 、 、 ——回歸軌道的三要素。,與此相應的在緯度 圈上,軌跡橫移的角度偏差為 (6.1
18、6) 因此,此類遙感衛(wèi)星的軌道要素——傾角、半長軸和偏心率(矢量)必須精確地符合設計要求。為消除軌道攝動,由星載推進系統(tǒng)進行軌道修正,軌道保持的精度要求約為: , , ,,(2)軌道控制方程 軌道攝動方程(4.18)可直接作為軌道控制方程。對于高傾角的圓軌道,偏心率很小,為避免奇點,引入偏心率向量 作為被控軌道要
19、素。令坐標 軸沿軌道面節(jié)線,指向升交點; 軸在軌道面內(nèi),垂直并超前 軸,有,將軌道控制分為兩項互為獨立的部分,一是軌道面內(nèi)軌道要素的控制,為切向、徑向控制 , ;另一是軌道面要素的控制,為法向控制 。 略去軌道攝動方程(4.18)右端的小量 ,引用新變量 , 和近似式 , ,軌道控制方程可列為,(6.17)式中
20、 為衛(wèi)星距升交點的角距。,,,(3)軌道要素的增量方程和控制律分析 對于圓軌道,徑向控制 對半長軸的控制效率為零,對偏心率的控制為切向控制一半。因此有效的控制方式是,由切向控制修正軌道面內(nèi)的軌道要素,由法向控制修正軌道傾角。由于軌道保持所需的修正量為小量,星載推進系統(tǒng)作用時間較短,可視為脈沖控制,其積分即為脈沖速度增量,軌道平面內(nèi)的軌道控制方程(6.17)可改寫為增量方程。,,對于單次控制
21、脈沖,有,,由于 , , 為三個獨立的變量,單次脈沖不能完成預定的修正要求,如令脈沖作用點距升交點的角距 為待選的變量,則雙脈沖可實現(xiàn)軌道面內(nèi)的全修正。 采用變分法和哈密爾頓極大值原理可得最佳控制律。也可用動力學幾何法作簡要論述。,(6.18),靜止衛(wèi)星軌道設計要求和軌道攝動 通信和廣播衛(wèi)星由于任務的需要都要求相對于地球是靜止的,因此稱這類衛(wèi)星為“靜止衛(wèi)星”,一個理想的地球靜
22、止衛(wèi)星軌道要求為:圓形軌道,偏心率在地球赤道平面內(nèi),傾角軌道高度35 786km(長半軸42 164km)軌道周期=地球自轉(zhuǎn)周期(23h56min4.1s),當這些條件滿足時,從地球上看衛(wèi)星是靜止的,如不滿足這些條件,則引起衛(wèi)星與地球的相對運動。若傾角 ,則衛(wèi)星將繞赤道沿南北方向成“8”字形運動,此時東西方向也產(chǎn)生擺動。若偏心率 ,則衛(wèi)星將在東西向產(chǎn)生約 角度的振蕩運動
23、,若軌道高度改變(即半長軸 改變),將引起衛(wèi)星以一定速度向東西方移動。,上述分析是在雙體(衛(wèi)星和地球)條件下得到的。實際上,由于衛(wèi)星軌道受日月引力攝動、太陽輻射壓力攝動等的影響,會離開預定的定點位置,為使衛(wèi)星位置變化限制在一定范圍內(nèi),必須進行控制。 處在靜止軌道上的衛(wèi)星始終受著不可忽略的三種主要攝動力的作用,衛(wèi)星不可能絕對靜止,而在東西(經(jīng)度)、南北(緯度)方向漂移著。,位置保持的任務是使衛(wèi)星偏離定點位置的經(jīng)緯度漂
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