筮4期气动力矩和重力梯度矩实现微小卫星轴姿态控制李太玉张育林国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073小卫里轴姿态被动控制方案重力梯度矩提供俯仲和滚转恢复力矩，气动力矩提供偏航和俯仲恢复力矩；通过姿态稳定性分析和姿控过程动态仿真，结果明此卫星具有结构简单姿态稳定精度高的优点主词姿态控制轴稳定重力梯度气动力在巨1引言卫星受到的环境力矩，主要包括气动力矩重力梯度矩地磁力矩和太阳光压矩等，都具有定向性通过对卫星构型的合理设计就可以利用上述环境力矩实现微小卫星轴稳定的姿态被动控制。采用环境力矩实现轴校1定的1呈被动姿态控制系统结构尚中可站性高成本低研制周期短，对微小卫星具有很强的吸引力。如果进步提高卫星的姿态控制精度，可以应用于对地侦察勘测卫星，也可以应用于编队飞行完成项任务的卫星群，应用前景广阔。
目前完全采用被动姿控的轴稳定的卫星主要是单浊使币力梯立杆成也力梯度杆与偏置动景轮结介采用两种环境力矩实现轴松定的姿态波动拧制的星还不衫，木文提出了种利用气动力矩和重力梯度矩实现圆形低轨道微小卫星轴姿态稳定的被动控制方法对所提方法进行了稳定性分析和控制过程动态仿真2卫纪运行轨道构形与姿控方案设想作为被控付象的卫记运行在低闼轨逍13，要求轴松定正星构形卫星由重力杆伸杆机构涡流阻尼球并兼作端质量迎风平面及卫星主体组成卫星主体形状为正棱柱形从棱柱两个侧平面伸出两块面积相等的气动板，气动板与棱柱同高两块气动板与其相应的侧平面组成两个迎风平面，其交线为迎风棱卫星的质心靠近迎成棱，到两个迎风平面趴离相等，且到棱柱上5底面距离也相冷，述运行轨逍迎，後吼尼球1力杆和构型使气动力矩和重力梯度矩在卫星所受到的空间环境力矩中占主导地位，可利用它们实现卫星被动姿态控制两个迎风平面提供偏航方向和俯仰方向恢复力矩；涡流阻尼球增大了卫星横向和纵向转动惯量的差值，重力杆实现卫星对地指向。
3卫星姿态控制方程取参考坐标系为。轨逍坐标系，原点为巳1质心，当卫星处于平衡位置时，体坐标系与轨道坐标系重合。个欧拉角分别为，0，其中，为滚动角附应轴，为俯对应7轴，为偏航付应2轴在上。，标系下来分析卫甩的气动力矩和重力梯度矩7泛上足姿态运动，3.1气动力矩高于120的大气可以看成自由分子流，气动力计算相当复杂，它与卫星的面温度和材料特性，等等有关忽略温度变化的影响，用方程1计算气动力和气动力矩4 22.6；为迎风面面枳；为来流速度为来流方向按方程气动力和气动力矩与大气密度有关，而高层大气密度受多种因素影响，如太阳活动峰年与谷年地球磁场活动轨道高度及太阳光照的周日峰角等，变化非常大，达到两个数景级。本文只考虑与太阳光照的周日峰角相关的短周期的大气密度变化，人气密度模型如下56夹角，廿分别为卫星的赤经和赤韩分别为太阳的赤经和赤掉为大气周日峰角加果在地方时14点出现峰值，则入=30.
下面分析圮运动时来流速度矢哞变化，般认为上层大气是以。5倍的地球自转角速度相对惯性空间转动，角速度方向平行地轴由于大气的旋转，使得来流方向不是卫甩飞行的反方向。而是与之办个微小角度偏差，如果卫星轨道为圆轨道，则来流单位矢其中为轨道角速度，为大气旋吊在轨道叱标系的分请为转角速度；为轨道倾角为升交点起算的时间来流相对卫星的速度平方值近似为以卫星逆时针转角为正，如果卫星绕偏航轴转动使来流方向减界免，则它星受到的偏航力矩为略去高阶小量有若来流方1与0卫甩绕俯仰轴转动小扣度7，卫星所受气动力矩为综合上述分析，卫星所受气动力矩应为3.2重力梯度矩田缺高阶小量，七星所受的重力梯度矩为3.3卫星姿态运动方程将分析。1到的渤力矩和1乃梯奶1达式代入。般方程，圆轨道卫1.的姿态运动方程为阻尼系数4姿态稳定性分析丘星的姿态方程可为卫星相对轨道坐标系的角速度矢量在体坐标系内的投影为方向余剁年第列元索组成的列阵气动力矩和重力梯度矩的矢量达形式分别为，3分别为本体坐标系相对轨道坐标系方向余弦阵第列和第列元素组成的列阵；6为卫星所受气动力值；为压心到质心的距离把方程1314代入方程12，并加入速度阻尼，有17将式15两端点乘，1后积分有若星体系取主惯性系，有个元素和第个元素，分别为卫星轨道坐标系1轴和轴单位矢量方程16左端第1项为1星又寸轨道系转动的动能。第2项为1力梯度势能，第3项为离心第项和端第观为气动力⑷势能若取方程口左端为函数丑，好为正定当且仅当卫星对地指向轴稳定平衡状态时好为，方程17右端第2项和第3项使卫星的平衡态发生偏移，如果不考虑它们，只要先。，的值大于，有件出0，系统是稳定的方程17右端第2项是由于大气的旋转造成的1变化幅值随轨道倾角增大而，大，此卫星更适合在小倾角轨道飞行。
5姿控过程仿真分析速度；阻尼系数1=.，01当来流方向为卫星飞行反方向时，卫星压心在体坐标系120，知=0.6931大气密度根据文献3的数据，给出不抛况下灭大气密度的极大值和极小值认为地方时14点密度取极大值，地方时2点密度取极小值，按照方程2和方程3给出在轨卫星所处的大气密度，公式2中取=2，公式3取3茂为太阳射电辐射流量方时点人气密度为。12出高层大气密度同，相同，轨道倾角为，度，其他的不变卫星姿态初始值为0，卫星经历200008姿态角度随时间的变化关系345不同仿真形中，同类型曲线代相同的姿态角度J职梢规从仿真结果可以看出0在3，条件下，偏航姿态角度随时间有较大的周期振荡；随着轨道大气密度在条件1俯仰姿态知度在平衡位置附近振荡；随着轨道大气密度的增大俯仰姿态角度振荡幅仇减小并趋于小角度。，在条件下，滚转姿态角度在平衡位置附近振荡；随着轨道大气密度的，大，在队条件下滚转姿态角度振荡幅值加大在条件下振荡大大减小。
偏航姿态偏差主要是由于地球大气自转造成的。当轨道倾角不为，时，来流方向与卫星飞行方向不在同直线，而是有个微小夹角丁角度卫星飞行作周期性变化，幅值与轨道倾角正弦成正比，因此偏航姿态角度存在周期性振荡当轨道大气密度不很大时，卫星偏航方向抵抗非大气自转干扰力矩能力不强，偏航姿态角度振荡幅值大于丁角度振荡幅值；随着轨道大气密度的，大，其抗干扰力矩能力增强，偏航姿态角度振荡幅值趋于丁角度振荡幅值卫星俯仰方向受到的主要干扰力矩有气动干扰力矩惯性积干扰力矩和地磁干扰力矩。
在轨道大气密度不很大时，气动干扰力矩并不占主导地位，随着轨道大气密度的增大，其主导地位越来越明显，又由于气动下扰力矩和气动恢复力矩均勾大气密度成正比，因此会山顼②中现象，当轨道大气密度不很大时凌转方向卞要干扰力矩是交叉转动惯试引起的干扰力矩和地磁力矩，这两种千扰力矩相可抵消部分。因此3条件滚转姿态角度在，衡位置附近振荡随着轨道大气密度的增大，方程12中的非线性项增大，由于这时俯仰姿态角度趋于定，滚转方报干扰力，1人，卫星滚转角度振荡幅位加人在条件下巾于角度丁减小为，滚转方向干扰力矩大大减小，滚转方向的姿态偏差减小在条件下，卫星的姿态大大改善，卫星轨道倾角越小，卫星的姿态控制精度越高。
圆形低轨道微小卫星轴稳定的姿态被动控制方案，结构简敢可靠性高，抗干扰能力强，姿控精度令人满意，适合小倾角圆轨道运行的卫星1林来兴，潘科炎编译。空间飞行器控制设计准则下册。北京科学出版社，1981.
1厘，在环境力矩作用下卫星的姿态动力学与控制。孙承启译。控制工程，1985.
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4屠善澄主编。卫星姿态动力学与控制1.北京宇航出版社，1999.
5汤锡生。精密定轨用地球大气模型误差的补偿方法。北京天文学报，1997，3836苏柯夫杜年科著。轨道宇宙飞行器空气动力学。张燕林译。北京国防工业出版社，1979.了孙兆伟，旭屯力梯度小卫星重力场捕获的⑴法中国空叫科学技木。1晋知4酿惠厉1腿潘，卿厉目前在读国防科大航天与材料工程学院航空宇航科学与技术专业博士学位，主要从事利用±也磁场对微小卫星姿态控制和利用环境力矩实现微小卫星轴姿态被动稳定控制研究
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