约翰霍普金斯大学应用物理实验室

看天线，识卫星——漫谈卫星天线（二）：导航卫星天线+ 袁东题图这颗卫星，十多根枪管样的突出物，而且长枪短枪瞄准地球，感觉像太空武器，特有威慑力，是不是美国天军的装备？既对又不对，这是美国军民两用的GPS导航卫星，请看本期——卫星上的“天津大麻花”，朴实无华而嬗变的螺旋天线，Helical antenna!一、苏联的Sputnik 1——美国导航卫星创意的摇篮在上期《看天线，识卫星——漫谈卫星天线（一）》讲到的苏联第一颗人造地球卫星Sputnik 1的全向鞭状天线，让地面测控站甚至无线电爱好者都能接收到信号。

美苏虽为冷战敌对阵营，但心有灵犀，冥冥中，美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室（The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory ，简称APL ）的两位年轻人，吉勒（William Guier)和维芬巴哈(George Weiffenbach)，制作了天线和放大器，轻而易举地收到了卫星发射的20.005MHz 的信号，实验室的同事们沸腾了！Sputnik 1发射的信号是平淡乏味的“哔哔哔”，但卫星近3万公里的时速，让频率有500Hz ～1500Hz 的偏移！两人在兴奋之余，脑洞大开，产生了基于多普勒频移效应（图1）来计算卫星相对速度的想法，进而从多次测量的多普勒频移数据中推断出卫星的轨道。

这其中需要解决地球南北不对称、电离层折射校正、卫星振荡器频率漂移校正等工作，在学校的支持下，两个年轻人还用上了实验室刚引入不久的Univac 1200F 数字计算机，最终成功推算出卫星的运行轨道。

实验室研究中心主席麦克卢尔（Frank McClure)找到了他们，启发他们研究用已知的几颗卫星轨道，通过多普勒频移计算出接收器所在的位置。

最终这个课题圆满成功，1958年12月，美国海军武器实验室委托APL 研制海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System ，NNSS ）。

机器人发展史赵吉中机械设计制造及其自动化1班学号：201303040113 摘要：机器人已有三千多年的历史。

20世纪，机器人技术得到迅速的发展并在工业中得到广泛应用。

机器人学已发展为综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的综合性科学，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。

未来的机器人将向智能化方向继续发展。

关键词：机器人，发展，智能一、引言机器人的诞生和机器人学的建立及发展，是20世纪自动控制领域最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。

现在全世界已经有100万台机器人，销售额每年增加20%及以上。

机器人技术和工业得到了前所未有的发展。

机器人技术是现代科学与技术交叉和综合的体现，先进机器人的发展代表着国家综合科技实力和水平，因此目前许多国家都已经把机器人技术列入本国21世纪高科技发展计划随着机器人应用领域的不断扩大，机器人已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域，另外，随着需求范围的扩大，机器人结构和形态的发展呈现多样化。

高端系统具有明显的仿生和智能特征，其性能不断提高，功能不断扩展和完善；各种机器人系统便逐步向具有更高智能和更密切与人类社会融洽的方向发展。

二、机器人的定义机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置，虽然现在机器人得到了广泛的应用，但机器人定义的标准却没有统一，不同国家，不同领域的学者给出的定义不尽相同，虽然定义的基本原则大体一致，但仍有较大的区别。

世界上机器人制造最完美的是美国和日本，目前部分国家倾向于美国机器人协会所给出的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程程序动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。

直到四十多年前，“机器人”才作为专业术语加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却已存在三千多年了。

早在我国西周时代就流传着有关巧匠偃师献给周穆王一个艺妓（歌舞机器人）的故事。

摘要航天领域技术应用在时刻进步，当前卫星系统的功能呈现出多样性和复杂性的特点，各项性能不断提高，除了对子系统间数据传输的高速率和高可靠性提出要求以外，同时对一体化传输、提高模块复用率、降低开发和制造成本、提高兼容性提出了更高的要求。

这一特点在小卫星平台上的需求尤为迫切，因此需要一种高性能的星上总线网络及对应的多元化架构来满足大数据量传输、实时控制数据传输以及低成本复用与容错的需求。

SpaceWire 技术就是作为下一代星上数据处理系统模型而提出的一种高速率、点对点、全双工、灵活、可定制容错架构的串行总线网络，基于SpaceWire标准设计的星上总线网络的特点，它有望实现上述需求而取代传统星上数据处理系统。

本文在详细分析SpaceWire 路由网络设计需求和深入研究SpaceWire 标准协议的基础上，完成SpaceWire节点接口、路由器设计及路由网络架构的研究。

其中包括SpaceWire节点接口和路由器的硬件设计实现、功能和性能测试以及SpaceWire 路由网络架构性能仿真分析与测试。

设计基于Altra的FPGA 平台使用Verilog HDL硬件描述语言自顶向下地实现，将各个模块按功能划分分别实现验证。

对设计的SpaceWire 总线网络的测试结果和分析证明本设计合理，传输、实时性和容错性能稳定，功能和指标基本符合设计要求，为实际应用设计的总线网络提供了理论和实践的支持。

关键词：SpaceWire标准；总线网络；节点接口；路由器；容错架构；- I -AbstractWith the advances in space technology and space applications, the function of the current satellite system showing the characteristics of diversity and complexity and the performance continues to increase, in addition to the request of the high-speed and high reliability of data transmission between the subsystems.Put forward higher requirements for the integrated transmission module reuse rate, lower development and manufacturing costs, improve compatibility. This feature is particularly urgent demand on the small satellite platform, need a high-performance satellite bus network and the corresponding diversification of structure to meet the large amounts of data, real-time control of data transmission, and demand for low-cost reuse and fault-tolerant . SpaceWire technology is a high rate data processing system model proposed in the next generation on-borad, point-to-point, full duplex, flexible, customizable fault-tolerant architecture serial bus network, based on the SpaceWire standard on-borad bus network characteristics, it is expected to achieve the above requirements and data processing systems replace the traditional star.In the paper, SpaceWire standard protocol of the detailed analysis of the SpaceWire routing network design requirements and in-depth study on the basis of completed SpaceWire node interface router design and routing network architecture are finished. Including SpaceWire node interface and router hardware design and implementation, functionality and performance testing, and SpaceWire routing network architecture performance simulation analysis and testing. Altra's FPGA-based platform, the design using Verilog HDL hardware description language to achieve top-down, the various modules by function, respectively, to achieve validation. Test results and analysis of the SpaceWire bus network designed to prove the rational design, transmission, real-time and fault-tolerant and stable performance, the basic functions and indicators meet the design requirements for the practical application of the design of the bus network to provide the support of the theory and practice.Keywords: SpaceWire standard, bus network, node interface, router, fault-tolerant architecture.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1课题背景及研究的目的和意义 (1)1.2国内外研究现状 (3)1.3本文的主要研究内容 (6)1.4论文章节安排 (7)第2章SPACEWIRE总线网络设计基础 (8)2.1S PACE W IRE标准物理层 (8)2.2S PACE W IRE标准信号层 (9)2.3S PACE W IRE标准字符层 (11)2.4S PACE W IRE标准交换层 (13)2.5S PACE W IRE标准数据包层 (15)2.6S PACE W IRE标准网络层 (15)第3章SPACEWIRE总线节点接口设计 (20)3.1S PACE W IRE总线节点接口整体设计 (20)3.2S PACE W IRE接口主状态机设计 (21)3.3S PACE W IRE接口发送器设计 (23)3.4S PACE W IRE接口接收器设计 (26)3.5流控制模块设计 (31)3.6本章小结 (32)第4章SPACEWIRE总线路由器及容错设计 (33)4.1S PACE W IRE路由器设计需求及整体设计方案 (33)4.2数据包识别模块的设计 (34)4.3路由表及其控制模块设计 (38)4.4裁决器及交换矩阵的设计 (40)4.5S PACE W IRE总线网络容错架构 (42)4.6本章小结 (43)第5章SPACEWIRE总线网络性能测试分析 (44)5.1整体测试方案 (44)5.2S PACE W IRE节点接口测试 (45)5.3S PACE W IRE总线网络路由测试 (48)5.4S PACE W IRE总线容错测试 (50)5.5S PACE W IRE总线网络性能分析 (52)5.6本章小结 (54)结论 (55)参考文献 (56)攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (61)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (62)致谢 (63)第1章绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义近年来，随着空间技术的发展和研究的深入，空间任务日益呈现出多样性和复杂性的特点，因而卫星系统的功能也出现了跨越式的发展，这就使得星上各个设备、子系统之间的数据交换、控制信息交换网络变得尤为复杂，性能要求也日益提高，此时，首先需要解决数据量较大、数据环境复杂的情况下星上数据处理系统的可靠性和实时性的问题，从而对负责数据传输的星上总线网络性能有了新的要求[1]。

约翰霍普金斯大学（The Johns Hopkins University），简称为Hopkins 或 JHU，成立于1876年，是美国第一所研究型大学，也是美国大学协会的14所创始校之一，是一所世界顶级的著名私立大学。

美国国家科学基金会连续33年将该校列为全美科研经费开支最高的大学。

截止目前，学校的教员与职工共有36人获得过诺贝尔奖。

2014年《美国新闻与世界报道》世界大学排名将其列为世界第11，美国第9；英国《泰晤士报》高等教育增刊将其列为世界第15。

立思辰留学360介绍，霍普金斯大学不仅拥有全球顶级的医学院、公共卫生学院、国际关系学院，其生物工程、空间科学、社会与人文科学，音乐艺术等领域的卓越成就也名扬世界。

该校医学院的教学研究单位约翰·霍普金斯医院（JHH）连续21年被评为全美最佳医院。

其尼采高级国际研究学院（SAIS）培养出美国国务卿奥尔布赖特、财政部长盖特纳、世界银行行长埃因霍、中国驻美大使崔天凯、冰岛总理哈尔德、荷兰外交部长柯恩德、财政部长霍格沃斯等一大批杰出校友。

该校的应用物理实验室（APL）是美国近代物理学人才的摇篮，同时也是美国国防部的合同商，哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜的地面控制中心。

在摩根财团创始人的资助下，霍普金斯诞生了美国第一所且最负盛名的音乐学院。

霍普金斯主校区位于美国马里兰州巴尔的摩市，分校区位于美国首都华盛顿特区，并在中国南京、意大利博洛尼亚设有教学校区。

著名校友约翰霍普金斯大学政界伍德罗·威尔逊：第28任美国总统美国总统伍德罗·威尔逊盖尔·哈尔德：冰岛总理，独立党主席Jean-Maurice Dehousse：比利时总理斯皮罗·阿格纽：第39任美国副总统马德琳·奥尔布赖特：第64任美国国务卿，美国首任女国务卿尼古拉斯·伯恩斯：美国副国务卿，前驻北约和希腊大使Clifton R. Wharton, Jr.：美国副国务卿Bert Koenders：荷兰外交部长Ali Akbar Velayati：伊朗外交部长Bernard Membe：坦桑尼亚外交部长Mahamat Ali Adoum：乍得共和国外交部长，驻美、加拿大、联合国大使H.E. Gonzalo Gutiérrez Reinel：秘鲁外交部长蒂莫西·盖特纳：第75任美国财政部长，纽约联邦储备银行行长Hans Hoogervorst：荷兰财政、卫生部长，现国际会计准则理事会主席黄燕燕：马来西亚财政部副部长，现任旅游部长Lousewies van der Laan：荷兰众议院民主党党鞭保罗·沃尔福威茨：第10任世界银行行长，美国国防部副部长，前尼采高级国际研究学院SAIS院长Jessica Einhorn：第11任世界银行行长，时代华纳集团董事，国会外交事务委员会主席，前SAIS院长David Dodge：加拿大中央银行行长Dennis P. Lockhart：美联储亚特兰大分行行长Nancy Birdsall：美洲开发银行高级副总裁Jeffrey Garten：美国商务部副部长，耶鲁大学管理学院院长富兰克林·拉文：美国商务部副部长，驻新加坡大使William A. Reinsch：美国商务部副部长，美国外贸委员会主席Mohammad Zubair Khan：巴基斯坦商务部长，渣打银行经济学家Marcia Miller：美国国际贸易委员会主席Antonia Novello：美国卫生部长Suyoi Osman：文莱卫生部长John J. Hamre：美国国防部副部长，现美国国际战略研究中心主席兼CEOMichael G. Vickers：美国国防部副部长Gabriel Silva Luján：哥伦比亚共和国国防部长，两任驻美大使John E. McLaughlin：美国中央情报局局长Michael Griffin：美国国家航空航天局局长Peter Rheinstein：美国食品药品监督管理局（FDA）局长Gail J. McGovern：美国红十字会主席Elias Zerhouni：美国国立卫生研究院院长Newton D. Baker：美国战争部长Raymond Mabus：美国海军部长Irving A. Williamson：美国国际贸易委员会主席Ibrahim Gambari：联合国副秘书长Cassandra D. Waldon：联合国开发计划署通讯部主任迈克尔·布隆伯格：前纽约市长，彭博新闻社创始人（Bloomberg News）沈大伟：美国知名中国与亚洲事务专家，美国防部、洛克菲勒基金会、美国新闻署、微软公司等顾问郑梦准：国际足联（FIFA）副主席、韩国大国家党党首、韩国现代集团创办人郑周永的第六子Charles Hillman Brough：阿肯色州州长Scott McCallum：威斯康辛州州长Michael Steele：马里兰州副州长马丁·赛迪科：奥地利外交家，“欧盟事务专家”，2007年8月就任奥地利驻中华人民共和国、朝鲜和蒙古大使安格斯·麦迪森：欧洲经济合作组织经济部主管，多国领导人政策顾问，包括巴西、几内亚、蒙古、加纳等班达尔·本·苏尔坦·阿勒沙特：沙特阿拉伯外交家和国务活动家，沙特国家安全委员会主席Thant Myint-U：缅甸总统特别顾问Peter F. Allgeier：美国贸易副代表Lawrence Di Rita：美国国防部五角大楼发言人，现任美国银行发言人John E. Osborn：美国公共外交顾问委员会主席Aneesh Chopra：美国首席技术官（奥巴马总统助理一职）Irvin B. Nathan：美国华盛顿特区大法官，美国众议院法律总顾问Michael S. Steele：美国共和党全国委员会主席，马里兰州副州长Frank Gaffney：美国国家安全政策中心创始人、总裁Nancy Birdsall：美国全球发展中心创始人拉斐尔·埃尔南德斯·科隆：波多黎各总督David Jacobson：美国驻加拿大大使Bruce J. Oreck：美国驻芬兰大使Charles P. Ries：美国驻希腊大使，现任美国经济部长，伊拉克经济转型协调负责人James Howard Holmes：美国驻拉脱维亚大使，现国务院特别顾问Samuel Lewis：美国驻以色列大使， 1978年戴维营和谈美方首席代表April Glaspie：美国驻伊拉克大使，因1991年海湾战争中的角色而被众人所知Hermann Eilts：美国驻沙特阿拉伯和埃及大使，在整个戴维营协议中与埃及总统共事Anne E. Derse：美国驻立陶宛、阿塞拜疆大使Ronald D. Palmer：美国驻马来西亚大使David Shear：美国驻越南大使Robert O. Blake, Jr.：美国驻斯里兰卡及马尔代夫大使，助理国务卿，现任驻印度尼西亚大使Robert Stephen Ford：美国驻阿尔及利亚、叙利亚大使Nicholas Platt：美国驻巴基斯坦、菲律宾和赞比亚大使，亚洲协会（Asia Society）总裁Arturo Sarukhán：墨西哥驻美国大使Sir David Manning：英国驻美国、以色列大使，英国前首相布莱尔外交政策顾问Lee Tae-sik：韩国驻美国大使Bandar bin Sultan：沙特阿拉伯驻美国大使Umberto Vattani：意大利驻欧盟大使Claudio Pacifico：意大利驻埃及大使Roberto Toscano：意大利驻印度、伊朗大使Rocco Antonio Cangelosi：意大利外交官，总统外交顾问Zeid Raad al Hussein：约旦驻联合国大使Bandar bin Sultan：沙特阿拉伯驻美国大使Herman Jay Cohen：美国驻非洲多国大使Paul Bomani：坦桑尼亚政治家，驻美国、墨西哥大使Kweisi Mfume：美国全美有色人种促进会主席Alger Hiss：美国国务院官员、律师，苏联间谍约翰霍普金斯大学商界Edmund C. Lynch：美林证券联合创始人Peter A. Flaherty：麦肯锡咨询公司终生董事Karen Peetz：美国纽约银行梅隆公司总裁，银行界最有影响力的女性Bill Miller：美盛集团董事长，全球最大的资产管理公司之一Pamela P. Flaherty：花旗集团基金会主席/CEO，霍普金斯大学董事会主席Edward L. Morse：花旗集团全球期货研究主任，PFC能源咨询公司创始人Lawrence Hatheway：瑞银集团（UBS）投资银行首席经济学家Christopher Hoiles Lee：美国国际集团下属Highstar Capital创始人David C. Hodgson：大西洋大众公司CEO，全球领先的私募股权投资之一Lee Kempler：贝莱德集团（全球最大的资产管理公司）投资研究所CEO兼执行董事高登·摩尔：英特尔（Intel）联合创始人、名誉董事长，摩尔定律提出者，在应用物理实验室完成博士后彭明盛：国际商业机器公司（IBM）董事长、主席兼CEODr. Jeong-Hoon Kim：贝尔实验室总裁查尔斯·沙夫：维萨（Visa）CEO，微软董事会董事，霍普金斯大学董事，前摩根大通零售金融业务负责人Jim Wilkinson：阿里巴巴国际事务顾问，百事可乐执行副总裁，美国前财长保尔森的幕僚长，国务卿赖斯的高级顾问Allan Huston：必胜客总裁兼CEODave McClure：硅谷孵化器（500 Startups）创始人Sanju Bansal：微策略软件公司（MicroStrategy）联合创始人罗伯特·劳伦斯·库恩：国际投资银行家，中国领导人顾问迈克尔·布隆伯格：美国彭博资讯公司（Bloomberg L.P.）创始人，前纽约市市长VISA CEO 查尔斯·沙夫 Robert S. Singer：古驰首席财务官CFO，时装品牌A&F总裁兼首席运营官约翰·马龙：美国自由媒体集团董事长（世界六大媒体集团之一，美国在线和时代华纳公司最大的股东）Roger C. Faxon：百代集团（EMI ）首席执行官，百代唱片董事长兼CEORuss Smith：纽约出版集团总裁Alan H. Fleischmann：美国奥尔布赖特石桥集团高级顾问兼董事David Schneiderman：The Village Voice《村声》周刊创始人Matthew Polk：普乐之声创始人，世界著名的音频制造公司Rahmi Ko：全球500强，土耳其最大财团Ko? Holding创始人Barry Lowenkron：美国麦克阿瑟基金会（MacArthur Foundation）副总裁Peter Magowan：美国西夫韦公司CEO（北美第二大连锁），旧金山巨人队老板Federico Minoli：意大利杜卡迪汽车控股CEO约翰霍普金斯大学学术、科技界约翰·华生：心理学家，行为主义之父约翰·杜威：哲学家、心理学家、教育家，实用主义的集大成者约翰·惠勒：美国著名的物理学家，曾任美国物理学会主席，”黑洞“提出者亨利·甘特：人际关系理论、科学管理运动的先驱者之一，甘特图(即生产计划进度图）的发明者Abel Wolman：现代净水方法的发明人杜安·格拉韦林：美国航天员William Foxwell Albright：语言学家，死海古卷的鉴定者Sir William Osler：现代医学奠基人之一John August Anderson：天文学家，衍射光栅的发明人之一Kenneth H. Keller：明尼苏达大学校长Julian Deryl Hart：美国外科医生，杜克大学校长Mike Muuss：网络基础工具ping的作者查尔斯·桑德斯·皮尔士：美国通才，美国最伟大的学术体系缔造者，预见了电子计算机Charles Lane Poor：天文学家，因与爱因斯坦论战而闻名Solomon W. Golomb：数学家，俄罗斯方块的发明人之一Frederick Jackson Turner：历史学家，首次阐述美国历史中的”边疆意义“Thorstein Veblen：经济学家，《有闲阶级论》作者钱致榕：物理学家大卫·兰普顿：中国通，美中关系全国委员会会长，亚洲基金会董事长，尼采学院（SAIS）中国研究项目主任文艺、媒体、体育多莉·艾莫丝：八度提名格莱美奖的美国歌手、钢琴家和词曲创作人John Astin：演员，代表作《阿达一族》Russell Baker：作家，普利策奖获得者，Masterpiece Theatre节目主持人John Barth：小说家，美国国家小说奖得主Patricia Sabga：NBC News驻伦敦首席记者Wolf Blitzer：CNN新闻主播Allen Wastler：CNN主编瑞秋卡森：环保运动先驱，自然文学作家，著作《寂静的春天》，引发了美国以至于全世界的环境保护事业张纯如：《南京暴行：被遗忘的大屠杀》作者J.D. Considine：音乐评论家Richard Ben Cramer：记者，普利策奖得主（美国新闻界最高奖项）Wes Craven：著名导演和制片人Caleb Deschanel：著名电影摄影师Mildred Dunnock：电影和话剧演员Michele Kelemen：美国国家公共广播电台（NPR）资深记者Murray Kempton：普利策奖得主David Lipsky：滚石杂志主编，Absolutely American一书作者Daniel Menaker：Random House行政主编Walter Murch：奥斯卡最佳电影制片人与音乐人Ben Neihart：经典歌曲Hey Joe、Burning Girl的作者P. J. O‘Rourke：记者，政治评论家Gertrude Stein：女权运动倡导者，作家Basil White：著名脱口秀演员Davey Johnson：传奇职棒运动员，曾效力巴尔的摩金莺队。

人工智能发展简史“人工智能之父” 艾伦·图灵。

1、人工智能的诞生（20世纪40～50年代）1950年：图灵测试1950年，著名的图灵测试诞生，按照“人工智能之父”艾伦·图灵的定义：如果一台机器能够与人类展开对话（通过电传设备）而不能被辨别出其机器身份，那么称这台机器具有智能。

同一年，图灵还预言会创造出具有真正智能的机器的可能性。

1954年：第一台可编程机器人诞生1954年美国人乔治·戴沃尔设计了世界上第一台可编程机器人。

1956年：人工智能诞生1956年夏天，美国达特茅斯学院举行了历史上第一次人工智能研讨会，被认为是人工智能诞生的标志。

会上，麦卡锡首次提出了“人工智能”这个概念，纽厄尔和西蒙则展示了编写的逻辑理论机器。

2、人工智能的黄金时代（20世纪50～70年代）1966年~1972年：首台人工智能机器人Shakey诞生1966年~1972年期间，美国斯坦福国际研究所研制出机器人Shakey，这是首台采用人工智能的移动机器人。

1966年：世界上第一个聊天机器人ELIZA发布美国麻省理工学院（MIT）的魏泽鲍姆发布了世界上第一个聊天机器人ELIZA。

ELIZA的智能之处在于她能通过脚本理解简单的自然语言，并能产生类似人类的互动。

1968年：计算机鼠标发明1968年12月9日，美国加州斯坦福研究所的道格·恩格勒巴特发明计算机鼠标，构想出了超文本链接概念，它在几十年后成了现代互联网的根基。

3、人工智能的低谷（20世纪70～80年代）20世纪70年代初，人工智能遭遇了瓶颈。

当时的计算机有限的内存和处理速度不足以解决任何实际的人工智能问题。

要求程序对这个世界具有儿童水平的认识，研究者们很快发现这个要求太高了：1970年没人能够做出如此巨大的数据库，也没人知道一个程序怎样才能学到如此丰富的信息。

由于缺乏进展，对人工智能提供资助的机构（如英国政府、美国国防部高级研究计划局和美国国家科学委员会）对无方向的人工智能研究逐渐停止了资助。

上海信息化53为了避免无人机的闯入，无人机反制设备在安保领域逐渐推广使用。

然而，该设备的应用会造成区域电磁环境严重恶化，并对移动通信、导航定位等相应频段的各类无线电应用产生干扰，给公共安全带来巨大隐患。

GPS 信号受干扰分析及应对文/张 红 郭 锋2019年9月11日，上海市无线电监测站（以下简称“监测站”）收到某单位干扰申诉，称外高桥某码头附近GPS信号受到干扰，严重影响港区作业和船舶航行安全，希望监测站能尽快排查干扰源。

监测站接到申诉后立即奔赴现场排查干扰，经过仔细排摸，终于发现干扰源来自港区附近某油库安装的无人机反制设备（又称“GPS干扰器”）。

据了解，该单位安装无人机反制设备的目的是防范不明无人机靠近，同时，相关单位正应要求广泛安装类似设备。

与此类似的案例频繁发生，干扰GPS信号的重大无线电安全隐患逐渐暴露出来。

GPS信号易受干扰近年来，随着技术的快速发展，无人机以其价格亲民、操控方便和视角独特等特性，被广泛应用于日常生活中。

人们在感知无线PERCEIVE WIRELESS享受无人机带来便利与时尚的同时，也承受伴随而来的各类安全隐患，如操作不当引发的各项事故、利用无人机侵害他人隐私的行为、不法分子利用无人机违法犯罪甚至恐怖袭击等，都给正常的生活和生产秩序带来了巨大威胁。

于是，各种防范无人机逼近的无人机反制设备应运而生。

此类设备一般通过对无人机的通信链路进行干扰，使其与地面控制失去联系，而达到“反无人机”的目的。

但是无人机大多可以预设到达目标的经纬度地址，即使通信链路被干扰失去控制，其还能按照既定路线飞行，所以无人机反制设备还可以对无人机的GPS辅助定位系统进行干扰，最终迫使无人机无法按照设定路线执行任务。

上述两种反制方式都需要向空中发射干扰信号，因此在干扰了无人机信号的同时，往往也影响了周围的正常电波秩序。

如2.4GHz频段，该频段属于短距离微功率频段，主要用于无线路由器、蓝牙等免执照设备，无人机反制设备对信号的干扰会造成用户的无线上网和蓝牙通信异常，甚至对GPS频段产生干扰。

《人工智能应用技术基础》试卷（卷2）（考试时间：90分钟，满分：100分）一、单选题（1*15=15）1、下列关于舍恩伯格对大数据特点的说法中，错误的是（）。

A、数据规模大B、数据类型多样C、数据处理速度快D、数据价值密度高2、盲人看不到一切物体，他们可以通过辨别人的声音识别人，这是智能的（）方面。

A、行为能力B、感知能力C、思维能力D、学习能力3、以下事件宣告了移动互联网时代来临的是（）A、用户通过电脑接入互联网B、用户通过手机接入互联网C、用户通过智能手机上网率超过电脑D、中国首次接入互联网4、云的服务方式不包括（）A、SaaSB、PaaSC、IaaSD、LaaS5、Wi-Fi传输距离在（）A、10m左右B、100m左右C、200m左右D、1000m左右6、人工智能的基础支撑主要是由（）和计算能力支撑。

A、硬件B、数据提供C、软件D、服务7、人工智能诞生的标志是A、马文·明斯基与同学一起建造了世界上第一台神经网络计算机B、美国达特茅斯学院举行了历史上第一次人工智能研讨会C、德沃尔等人成立了世界上第一家机器人制造工厂D、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人8、符号主义的主要成就是（）A、控制系统B、专业系统C、推理系统D、专家系统9、（）是智能系统从环境到行为映射的学习，使得智能体选择的行为能够获得环境最大的奖赏，使得外部环境对学习系统在某种意义下的评价为最佳。

A、监督学习B、无监督学习C、强化学习D、深度学习10、从脑信号到机器指令的转化，不包含的模块是（）A、信号采集B、特征提取C、命令输出D、指令执行11、以下场景哪个属于高层次图像理解的应用领域？A、图像搜索B、自动驾驶C、视频会议D、虚拟现实12、人工智能的三要素是（），算力，算法A、数据B、智力C、能力D、智商13、在M-P神经元模型中，利用神经元模型的公式，假设x1=1，x2=2,x3=0,权重值依次是1,2,-2，阈值是0.6，在未加上激活函数的时候，当前输出是结果是（）。

第２２卷第１期２０２４年１月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２２N o ．１J a n ．２０２４文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２４Ｇ２２(１)Ｇ００１Ｇ０２１D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ０１１㊀２０２２Ｇ１２Ｇ０２收到第１稿,２０２３Ｇ０１Ｇ１４收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(U ２１B ２０５０),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (U ２１B ２０５０)．†通信作者E Ｇm a i l :１１１９７６３４５＠i m u ．e d u ．c n卫星磁姿态控制方法与算法综述∗穆硕１㊀占英２†㊀宝音贺西１(１．清华大学航天航空学院,北京㊀１０００８４)(２．内蒙古大学电子信息工程学院,呼和浩特㊀０１００２１)摘要㊀自太空探索之初,姿态控制磁控系统便因其体积小㊁质量轻㊁成本低㊁可靠性高等优点被广泛应用于各类轨道卫星．近些年,随着微小卫星技术的迅猛发展,姿态控制磁控系统满足了微小卫星对质量㊁空间等资源的限制,成为了学者们研究的热点．本文综述了自２０世纪６０年代以来卫星尤其是微小卫星所采用的主要磁姿态控制方法和算法,包括飞轮起旋与卸载算法㊁被动以及主动磁姿态控制算法等．其中主动磁姿态控制算法包括主动磁阻尼算法㊁磁控与自旋㊁定转速飞轮㊁重力梯度力矩结合的算法以及纯磁控算法．最后对该研究进行了总结与展望．关键词㊀卫星磁控,㊀飞轮起旋与卸载,㊀被动磁控,㊀主动磁阻尼,㊀磁控与其他方式结合,㊀纯磁控中图分类号:V ４１２．４＋２文献标志码:AA nO v e r v i e wo fM a g n e t i cA t t i t u d eC o n t r o lA l go r i t h m s f o r S a t e l l i t e s ∗M uS h u o １㊀Z h a nY i n g ２†㊀B a o yi nH e x i １(１．S c h o o l o fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,T s i n g h u aU n i v e r s i t y ,B e i j i n g㊀１０００８４,C h i n a )(２．S c h o o l o fE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t y,H u h h o t ㊀０１００２１,C h i n a )A b s t r a c t ㊀M a g n e t i c a t t i t u d e c o n t r o l s y s t e m s h a v e b e e nw i d e l y us e d f o r l o we a r t h o r b i t s a t e l l i t e s s i n c e t h e b e g i n n i n g o f s p a c e e r a b e c a u s e o f t h e i r r e l i a b i l i t y ,l i g h t w e i g h t ,l o wc o s t a n d e n e r g y e f f i c i e n c y ．R e c e n t l y,s m a l l s a t e l l i t e sa r e i n c r e a s i n g l y a t t r a c t i v e ．M a gn e t i cc o n t r o l l e r s m e e t t h e l i m i t a t i o n so f s m a l l s a t e l l i t e s a n d a r e c o n s i d e r e da s f a v o r a b l e c a n d i d a t e s f o r s m a l l s a t e l l i t e s ．I n t h i s p a p e r ,t h e s a t e l l i t em a gn e t i c a t t i Ｇt u d e c o n t r o l a l g o r i t h m s ,i n c l u d i n g a l g o r i t h m s f o r r e a c t i o nw h e e l s t a r t Ｇu p a n du n l o a d i n g ,pa s s i v e a n d a c Ｇt i v em a g n e t i c a t t i t u d e c o n t r o l a l g o r i t h m s ,a r e c o v e r e d ．T h e a l g o r i t h m s h e r e i n a r e e s p e c i a l l y f o r s m a l l s a t Ｇe l l i t e s ．A s f o r a c t i v em a g n e t i c a t t i t u d e c o n t r o l a l g o r i t h m s ,m a g n e t i c d a m p i n g a l g o r i t h m s ,t h e a l g o r i t h m s c o mb i n i n g m a g n e t ic c o n t r o lw i t hs p i n ,c o n s t a n t s p e ed f l y w he e l a n d g r a v i t yg r a d i e n t t o r q u e ,a n d p u r e l y m a g n e t i c c o n t r o l a l g o r i t h m s a r e c o v e r e d ．F i n a l l y,t h e r e s e a r c h i s s u mm a r i z e d ．K e y wo r d s ㊀s a t e l l i t em a g n e t i c c o n t r o l ,㊀r e a c t i o nw h e e l s t a r t Ｇu p a n du n l o a d i n g ,㊀p a s s i v em a g n e t i c c o n Ｇt r o l ,㊀a c t i v em a g n e t i c a n g u l a r v e l o c i t y d a m p i n g ,㊀m a gn e t i c c o n t r o l w i t h o t h e r a c t u a t o r s ,㊀p u r e l y m a gn e t i c c o n t r o l动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２４年第２２卷引言自探索太空之初,磁姿态控制系统便因其轻便,可靠等诸多优点受到卫星设计者的青睐．第一颗成功使用磁姿态控制系统的卫星是T r a n s i t１B,由美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室(A P L)设计．该卫星于１９６０年４月发射,采用被动磁控,进行了８９天在轨操作[１]．１９６０年１１月,第一颗采用主动磁姿态控制的卫星T i r o s I I成功发射[２]．相比于其他控制方式,磁姿态控制系统具有质量轻㊁体积小㊁成本低㊁可靠性高,使用寿命长等诸多优点,是低轨近地卫星尤其是微小卫星实现稳定控制的首选．磁姿态控制系统依靠卫星自身磁矩m与地磁场强度矢量B相互作用,产生控制力矩T．被动磁控卫星主要通过永磁体与磁滞棒产生磁矩;主动磁控卫星则需要通过电流驱动磁力矩器产生所需磁矩．磁控力矩计算公式为:T＝mˑB(１)从公式(１)中可看出,磁姿态控制系统的主要缺点是无法施加独立的三轴控制力矩,在每一瞬时只能产生垂直于卫星所处地磁场的控制力矩,这会大幅降低姿态控制效果,甚至出现瞬时不可控．磁姿态控制卫星的可控性一直困扰着学者们．直到２００３年,B h a t与D h a m[３]基于周期性地磁场假设,证明了磁控卫星的可控性:当卫星沿非赤道轨道运行时,地磁场方向会随卫星位置改变而不断发生变化．这种变化使得磁控系统不可控方向也在不断变化,确保了磁控卫星的可控性．随后, S m i r n o v等[４]证明了在偏离平衡点较小时,可利用两轴磁控实现卫星稳定姿态控制．Y a n g[５]基于线性时变系统理论,证明了在卫星惯量满足一定条件时,可实现磁控卫星稳定姿态控制．地磁场模型精度是决定所设计磁姿态控制系统能否成功实施的另一个关键因素．目前,最精确的地磁场模型为国际地磁参考场(I G R F模型),由国际地磁与气象学协会(I A G A)于１９６８年提出,此后每五年更新一次,目前为第１３代[６]．I G R FＧ１３采用１３阶球谐函数模型,结构复杂,通常适用于数值仿真过程．而对磁控算法的理论分析,学界通常采用偶极子假设．常用的偶极子模型有倾斜偶极子模型㊁直接偶极子模型以及简化偶极子模型[７]．基于偶极子假设并忽略地球自转的影响,卫星所处地磁场会随卫星轨道运动而周期性变化．同时,也可采用更高阶球谐函数进行更精确的理论分析[８,９]．本文参考了前人的综述文章[１０Ｇ１３],沿用了文献[１１]的分类结构,整理综述了自２０世纪６０年代以来卫星尤其是微小卫星所采用的主要磁姿态控制方法和算法,包括飞轮起旋㊁卸载,被动以及主动磁姿态控制算法,重点关注主动磁姿态控制算法的发展．其中主动磁姿态控制算法包括BＧd o t等主动磁阻尼算法,磁控与自旋㊁定转速飞轮㊁重力梯度力矩结合的算法以及纯磁控算法．最后,本文对各类磁控算法进行了总结与展望．１㊀飞轮起旋与卸载１．１㊀飞轮起旋根据动量矩守恒原理,当飞轮的动量矩变化时会改变卫星的动量矩．目前主要有两类磁控算法用于飞轮起旋问题[１４]．第一种方法首先利用磁力矩器与飞轮实现卫星稳定控制．此阶段磁控制律可采用P D控制律．卫星稳定后加速飞轮至目标转速,利用磁力矩器维持卫星姿态稳定[１４,１５]．另一种方法是在卫星实现稳定控制前起旋飞轮,再利用磁力矩器与定转速飞轮稳定卫星．C h a n g等人在姿态获取阶段起旋俯仰轴飞轮,并使用BＧd o t控制律阻尼卫星角速度[１４]．该方案可更快实现稳定控制．研究表明,在BＧd o t控制律下,卫星姿态误差会以指数形式进行收敛[１６]．M e n g 等人设计了两种用于飞轮起旋的磁控律[１７]: m＝Bˑ(－k１h )B ２(２)m＝Bˑ(－k１h －k２θ )B ２(３)其中m为卫星本体系下磁力矩器产生的磁矩,B为本体系下的地磁场强度矢量,h 为飞轮起旋产生的干扰力矩,θ 为三轴姿态误差的时间导数,k１,k２为控制增益．上述控制律均可在姿态稳定前使用．当角速度信息可知时,卫星采用控制律(３)进行控制．１．２㊀飞轮卸载工程中磁控制系统常用于飞轮角动量卸载．飞轮可抵抗环境干扰力矩的影响,实现卫星高精度姿２第１期穆硕等:卫星磁姿态控制方法与算法综述态控制．但同时,由于一些常值干扰力矩的影响,如气动力矩,飞轮的转速可能会持续增加．当上升至最高转速时,飞轮将不能提供有效的控制力矩．需在飞轮转速达到其上限值前进行角动量卸载．常用的卸载方法有喷气卸载,磁卸载等．但喷气卸载需消耗卫星燃料．而磁卸载可利用电能进行卸载,且使用寿命长．１９６１年,W h i t e等人[１８]提出了叉乘磁卸载控制律,在磁控卫星中应用广泛[１９Ｇ２１],具体形式为:m＝kΔh wˑB(４)其中k为控制增益,Δh w为飞轮角动量与目标角动量差值.通过该控制律,磁控力矩可卸载垂直于地磁场强度矢量B的角动量分量．通常,当Δh w与地磁场矢量的夹角足够大时(如夹角处于４５~１３５度之间),才启动磁力矩器卸载,以防止垂直于Δh w的磁力矩分量过大对卫星产生不利影响．该控制律也可采用b a n gＧb a n g控制形式计算所需磁矩[２２]．针对叉乘控制律,后续文献进行了大量研究．C a m i l l o与M a r k l e y[２２]推导了叉乘控制律解析分析公式．该公式可用于增益系数k的初步选取．N iＧn o m i y a等人[２３]对叉乘控制律进行了改进,使得控制律可同时实现飞轮角动量卸载与卫星章动阻尼．H a b l a n i[２４]使用线性极点配置方法,对叉乘控制律增益系数进行设计．针对冗余配置的飞轮系统,L e b e d e v[２５],H o g a n与S c h a u b[２６]设计的叉乘控制律可确保每个飞轮的转速都卸载到零值附近．T rég o uët等人[２７]与A v a n z i n i等人[２８]改进的叉乘控制律可在磁卸载的同时保证姿态控制律的渐进稳定．一些优化方法也被用于飞轮磁卸载控制律设计．G l a e s e等人[２９]设计了能量最优磁卸载控制律．F l a s h n e r与B u r n s[３０]提出了一种基于单元映射方法的离散磁卸载控制律．该控制律基于周期性磁场假设,可离线设计优化方案．S t e y n[３１]基于L Q R方法,通过最小化目标函数J＝ʏt f t０(h T w Q h w＋m T R m)d t(５)实现了磁卸载控制律的优化．其中h w为飞轮角动量,Q,R为权重矩阵．G i u l i e t t i等人[３２]构建了结合时间最优与能量最优的目标函数,即:J＝－aΔt－(１－a)２ʏt f t０(m２x＋m２y)d t(６)其中a为调节机动时间与能量消耗比例的权重系数．通过最大化目标函数,文献[３２]给出了包含参数a的磁卸载控制律．此外,Hɕ方法也被用于磁卸载控制律优化[３３]．磁卸载也可结合其他卸载方法提高效果．C h e n等人[３４]将磁卸载与喷气卸载组合,节省了喷气卸载的燃料消耗,同时提高了卸载速度．B u r n s与F l a s h n e r[３５]利用重力梯度力矩㊁磁力矩㊁气动力矩三种环境力矩,设计了具有自适应特性的磁卸载控制律．其他方案如模型预测方法[３６],被动阻尼方法[３７],点映射技术[３８,３９]等均可应用于磁卸载控制律设计．２㊀被动磁姿态控制被动磁姿态控制系统结构简单,性能可靠,不消耗卫星能源,常应用于设备有限且控制精度要求较低的卫星．其通常包括永磁体与磁滞棒两个组件．其中永磁体用于控制卫星指向,使其大致沿所处地磁场方向．磁滞棒通过磁化作用,可起到角速度阻尼作用．二者结合可实现低精度稳定姿态控制．被动磁姿态控制系统最早于１９６０年应用于美国海军通讯试验星[４０]．通过被动磁控与机械消旋设备,该卫星成功实现了角速度阻尼与稳定指向．１９６０年６月,该项目另一颗试验星T r a n s i t２A成功发射．该卫星仅凭借被动磁姿态控制系统实现了稳定控制[４０]．第一颗由大学自主研发的被动磁控卫星I n j u n３于１９６２年成功发射入轨[４１]．此后,更多被动磁控卫星任务成功实施,如E S R OＧ１A(１９６８),E S R OＧ１B(１９６９),A z u r(１９６９),E x o s(１９７８),M a g i o n(１９７８)[４２]．随着星载计算机与控制设备的发展,被动磁姿态控制系统已不能满足卫星任务高精度与多样化需求．至２０世纪７０年代中期,被动磁姿态控制系统逐渐被主动控制方法替代．直到微小卫星技术的兴起,被动磁姿态控制系统再次受到学者关注．其满足了微小卫星质量㊁空间以及设备成本的限制,在一些大学自主研发的试验星或演示卫星中应用广泛．１９９０年,四颗采用被动磁控的微小卫星被送入太空[４３]．此后,更多应用被动磁控的微小卫星相继发射[４２,４４Ｇ５０]．被动磁姿态控制原理简单,无需设计复杂的控３动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２４年第２２卷制算法．目前学者更多关注主动磁姿态控制算法设计．３㊀主动磁姿态控制３．１㊀主动磁阻尼控制当卫星角速度过大时,部分星载仪器如星敏感器无法正常使用,需使用星载设备降低卫星角速度至一定阈值．与运载器分离㊁执行变轨等机动操作或是设备故障均可能使角速度过大,因此,角速度阻尼是卫星姿态控制的必需过程．虽然喷气控制,飞轮控制等方法均可阻尼角速度,但喷气控制会消耗卫星燃料,飞轮控制易饱和．相比之下,磁阻尼控制不仅节省能源,还具备性能可靠,成本低廉等优势,在各类卫星中应用广泛．S t i c k l e r与A l f r i e n d[１９]提出了著名的主动磁阻尼算法 BＧd o t 控制律．该控制律最早出现在１９７２年[５１],利用地磁场导数信息进行角速度阻尼,具体表达式为:m＝－k B (７)其中k为正增益系数,B 为地磁场强度矢量相对于卫星本体系的导数．利用绝对导数与相对导数的关系,即:d Bd t＝B ＋ωˑB(８)其中d B/d t为地磁场强度矢量相对于惯性系的导数,式(７)可表示为:m＝－k d B d t＋k ωˑB(９)由于地磁场强度矢量在惯性系中变化的角频率仅为轨道角速度两倍,而通常在阻尼过程中卫星角速度较大,因此式(９)右侧第一项可近似为零．故式(９)可进一步简化为:m＝k ωˑB(１０)卫星转动动能E的时间导数可表达为:d Ed t＝T ω＝(mˑB) ω＝－k(ωˑB)２ɤ０(１１)从上式可看出,采用BＧd o t控制律可有效减小卫星转动动能,实现角速度阻尼．BＧd o t控制律具有很强的鲁棒性,通常利用当前时刻与前一时刻磁强计测量数据进行差分便可有效阻尼角速度．同时,BＧd o t控制律可转化为b a n gＧb a n g控制形式,适用于实际工程问题[５２]．基于等式(９)的假设,BＧd o t控制律可以指数形式进行收敛[５３,５４],具体收敛速度受轨道倾角等因素影响[５４]．BＧd o t也存在缺点．首先在阻尼精度方面,由于在上述分析中忽略了地磁场矢量相对于惯性系的时间变化率,即地磁场变化项,该项会对最终阻尼精度产生较大影响．研究发现,BＧd o t控制律最终会有约二倍轨道角速度的误差[５５]．同时,剩磁等干扰力矩会进一步降低阻尼精度．为克服地磁场变化项等带来的不利影响,学者们对BＧd o t控制律进行了改进[５６Ｇ６１],其中大部分变形基于等式(９)．该变形可阻尼卫星角速度至零,但同时需要角速度测量数据,提高了测量设备需求．为减少测量设备,D e s o u k y与A b d e l k h a l i k[６２]基于地磁场数据对角速度进行等效计算,给出了改进的BＧd o t控制律．该控制律可保证磁力矩器需产生的磁矩m时刻垂直于卫星所处地磁场,提高了磁利用效率．蒙特卡罗仿真实验验证了该控制律的有效性．同时,该控制律可在一定程度上减少收敛时间,降低能源消耗．J i n等人为惯量缺陷卫星(z轴惯量大于其他两轴)提出了垂直消旋控制律[６３]:m＝k BˑBB ３(１２)该控制律可避免z轴长时间指向太阳而造成仪器损坏．一些学者研究了增益系数k的选取方法．A v a n z i n i与G i u l i e t t i[５７]基于卫星轨道与形状特征,提出了一种增益系数调整方法,具体表达式为: k＝２ω０(１＋s i nζm)J m i n/ B ２(１３)其中ζm为卫星轨道倾角,ω０为轨道角速度,J m i n 为卫星最小惯量矩．W i sᶄn i e w s k i与B l a n k e[５６]利用正定矩阵替换标量增益系数k,增强了阻尼效果,同时为后续优化提供了更多空间．需要注意的是,文献[５６]中关于被动重力梯度稳定性的证明在文献[６４]中进行了更正．随着仪器设备与微小卫星技术的发展,BＧd o t 控制律也发展出了适用于纳卫星㊁立方星的方案[６５Ｇ７０],如嵌入式磁线圈控制等．同时,新型磁阻尼方案如反馈阻尼控制律[７１]也相继提出．但由于BＧ４第１期穆硕等:卫星磁姿态控制方法与算法综述d o t 的简便性与鲁棒性,其仍是目前乃至未来很长一段时间磁阻尼算法的首选．目前磁阻尼算法体系已较为完备,要取得较大研究进展十分困难．３．２㊀组合磁姿态控制系统由于磁姿态控制系统无法施加独立的三轴控制力矩,其通常结合其他设备与方法实现高精度稳定控制,如自旋㊁飞轮㊁重力梯度力矩等．３．２．１㊀磁控与自旋结合磁控与自旋结合克服了磁控的固有缺陷,同时具有低功耗㊁低成本㊁高控制精度等优点,因此应用广泛,也是目前磁控卫星的主要控制方案之一．通过围绕最大惯量主轴旋转,自旋卫星可获得自旋稳定性．若无外界干扰,自旋卫星可在惯性空间中维持稳定．但由于太阳光压力矩等的影响,自旋卫星会发生章动,需采用其他控制方法对自旋卫星的旋转轴指向与转速进行控制,而磁控则是首选．第一颗磁控与自旋相结合的卫星发射于１９６０年[２]．此后,该方案被广泛应用于各类卫星任务．其中由S h i g e h a r a [７２]提出的b a n g Ｇb a n g 控制律应用广泛．该控制律采用特定开关函数实现磁力矩器磁矩的正负控制,具体公式如下:m j ＝m ０,Δh (e j ˑB )＞０－m ０,Δh (e j ˑB )＜０{(１４)其中m j 为沿卫星本体系坐标轴e j 的磁矩大小;j ＝１,２,３;m j 的幅值为m ０;Δh 为当前卫星角动量与目标角动量差值．该控制律可使卫星沿特定轴自旋,并调整自旋轴的惯性空间指向．该方案也广泛应用于立方星等微小卫星[７３]．C r o c k e r 与V r a b l i k[７４]提出了可使卫星自旋轴z 轴垂直于太阳矢量的b a n g Ｇb a n g 控制,即:m z ＝m ０,㊀㊀e s ＞０－m ０,㊀e s ＜０{(１５)其中e 为卫星自旋轴,s 为本体系下太阳方向矢量．b a n g Ｇb a n g 控制还可与BＧd o t 控制律结合解决自旋卫星章动问题．H o l d e n 与L a w r e n c e [７５]基于李雅普诺夫方法设计了章动控制律,该控制律仅使用自转轴方向磁力矩器进行控制:m z ＝m ０s i g n [(C －A )B y ωx －(C －B )B x ωy ](１６)其中A ,B ,C 为卫星三轴转动惯量;ωx ,ωy 及B x ,B y 分别为卫星角速度与地磁场强度矢量沿卫星本体系x ,y 轴的分量．该控制律不仅适用于轴对称卫星,对非轴对称卫星也有较好控制表现．O v c h i n n i Ｇk o v 等人[７６,７７],R o l d u gi n 与T e s t a n i [７８]基于B Ｇd o t 提出了简化控制律,利用磁场导数信息即可完成章动阻尼:m z ＝－k (Be )e(１７)该控制律可使用一轴磁力矩器完成控制．Z a v o l i 等人[７９]分析了控制律(１７)的具体性质,包括全局渐近收敛性质与自旋轴指向等．需要注意的是,由于该控制律所施加的控制力矩垂直于自旋轴,因此不能使卫星起旋．O v c h i n n i k o v 等人[７６]提供了一种卫星起旋控制律:m ＝k (B y ,－B x ,０)(１８)该控制律可产生沿自转轴方向的控制力矩,但同时会引入沿其他两轴的干扰力矩,需通过控制律(１７)消除．针对自旋卫星起旋问题,T h o m s o n [８０]提出了 Y ＧT h o m s o n 控制律,利用当前转速与目标转速差值对卫星转速进行控制．C r e a m e r [８１]基于B Ｇd o t控制律提出了另一种自旋卫星控制方法,具体形式为:m ＝－k (B＋ωd ˑB )(１９)其中ωd 为卫星期望转速．该控制律可有效阻尼卫星初始角速度,使得卫星按照所设定角速度旋转．C u b a s 等人[８２]对该控制律的稳定性,收敛时间,自转轴指向以及控制精度进行了详细分析,并在考虑实际工程限制条件下进行了仿真,验证了控制律的可靠性．可利用卫星当前角动量与目标角动量差值进行控制律设计．A v a n z i n i 等人[８３]利用本体系与惯性系下的角动量差值,分别控制卫星角速度与自旋轴指向．此外,A v a n z i n i 等人[８４]利用投影方法,即将角动量差值投影至与地磁场矢量垂直的平面,设计了另一种控制律:T ＝k (I －B B T )Δh (２０)基于文献[５７]的分析方法,文中提供了增益系数k 的选取方法．D eR u i t e r [８５]同样利用投影方法,融合了章动阻尼㊁起旋以及自转轴指向等多个控制律,设计了应用于纳卫星的磁控方案．文中利用李雅普诺夫方法,证明了即使在两轴磁力矩器失效以及磁力矩器饱和等限制下,控制律也可保证渐进稳定．在考虑各种扰动以及设备故障等情况下,控制系统５动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２４年第２２卷表现均能满足任务需求[８６]．该控制律已被成功应用于纳卫星E S T C u b eＧ１[８７]．卫星可携带的能源有限,对于装备太阳能帆板的卫星,需尽快将电池板对准太阳．Y o u等人[８８]基于投影方法提出了一种太阳获取控制律,具体形式如下:T＝－k(ω－ωd),|l z|ɤ０．８－k(ω－ωd)－k１|L z|θ[lˑ(s ˑl)]－㊀k２s ˑe３,|l z|＞０．８ìîíïïïï(２１)其中L为卫星角动量,l为其单位矢量,k１,k２为相关增益系数,θ＝a r c c o s(－s z),下标z表示该矢量沿本体系z轴的分量(z轴为其自旋轴)．卫星首先进行角速度阻尼,然后切换至指向控制律,利用太阳敏感器读数实现太阳指向．C h a s s e t等人[８９]介绍了太阳获取控制律在具体卫星任务中的应用．利用太阳矢量与卫星本体系z轴夹角以及目标转速,文中构建了包含指向信息与转速信息的目标转速,通过投影方法实现了太阳获取．A l f r i e n d[９０]利用地磁场信息以及卫星滚转角构建闭环控制律:m２＝k１B xφ－k２B y(２２)其中φ为１Ｇ２Ｇ３转序下相对于轨道坐标系的卫星滚转角．使用多时间尺度方法,文中对控制律的渐进稳定性进行了分析,通过与数值仿真以及F l oＧq u e t理论对比,对控制律进行了验证．同时,文中分析了控制律对干扰力矩的鲁棒性．W h e e l e r[９１]使用沿自旋轴方向的单轴磁线圈,利用卫星姿态㊁角速度与磁场信息构建反馈函数,实现了卫星稳定控制．O v c h i n n i k o v与R o l d u g i n[９２]使用单轴磁力矩器,设计了可使小卫星在轨道平面内任意方向旋转的控制律．E r g i n与W h e e l e r[９３]利用卫星姿态误差与地磁场信息,使用固定时间间隔内的恒定控制力矩设计了磁控制律．R e n a r d[９４]比较了在轨道偏心率,地球自转等影响下,仅使用沿自旋轴方向单轴磁线圈,不同控制律的表现．结果表明,基于轨道周期进行磁矩极性转换可实现较好鲁棒性．C h e o n等人[９５]利用星载地磁场模型,设计了仅使用磁强计与G P S信息的磁控制律,其具体形式为:m＝１|b m|[－１２Kb^p－D(b^ p－b^ m)－㊀Λd(ω~z－Ψz)(b^mˑe)](２３)其中b m为磁强计测量的磁场矢量;K,D为正定增益矩阵;Λd为矩阵D对角元素;ω~z为通过磁强计测量值估计得到的当前卫星沿自转轴方向角速度,Ψz为目标角速度;上标 ^ 表示该矢量的单位矢量;b p为通过特殊优化方法得到的期望磁场矢量,其具体计算方式如下．通过星载磁场模型,计算出当卫星达到目标姿态时地磁场矢量在本体系下所有可能的表示,这些矢量在空间中构成一个圆锥,而b p则是圆锥与b m㊁e所确定平面的交线．控制律通过减小b p与b m之间夹角,使得卫星自旋轴指向目标方向．文中使用线性估计模型与李雅普诺夫方法对控制律稳定性进行了分析,通过仿真验证了控制律的可行性．需要注意的是,只有当卫星自旋速度足够大时,该控制律才可保证卫星稳定控制．J u n k i n s等人[９６]基于庞特里亚金最值原理,给出了控制自旋轴指向的时间最优机动设计方法．S o r e n s e n[９７]使用L Q R方法对所需磁矩进行设计．自旋卫星磁控制律时至今日仍在推陈出新[９８,９９]．但自旋卫星的高速旋转特性不利于实施优化方法,同时相关研究也较为成熟,难以实现大突破．３．２．２㊀磁控与定转速飞轮结合当一轴飞轮以一定转速旋转时,会为卫星提供陀螺稳定性,使飞轮轴向保持在轨道法向方向,该类卫星称为偏置动量卫星．此类卫星无需高速旋转,降低了设备及卫星惯量要求．加入磁控可进一步提高偏置动量卫星控制精度,使卫星姿态误差渐近收敛．由于飞轮在轨道法向提供了足够的稳定性,磁控偏置动量卫星甚至可在赤道轨道实现稳定控制．偏置动量卫星也需进行章动阻尼．S t i c k l e r与A l f r i e n d[１９]使用控制律(２２)进行章动与进动控制．G o e l与R a j a r a m[１００]对该控制律进行改进,应用于近赤道轨道卫星,并给出了时间响应表达式．H aＧb l a n i[１０１]改进了控制律(２２),提供了增益系数选取方法．同时,H a b l a n i[１０２]还考虑了非圆轨道下章动与进动控制,给出了控制律进一步改进形式．P u l e cＧc h i等人[１０３]对H a b l a n i改进的控制律进行了详细的性能分析．T s u c h i y a与I n o u e[１０４]在控制律中添加积分项,提高了控制力对干扰力矩的鲁棒性．６第１期穆硕等:卫星磁姿态控制方法与算法综述P D 控制是偏置动量卫星常用的磁姿态控制方案之一．其基本形式为[１０５]:m ＝B ˑ(－k ωωe －k q q ңe ) B ２(２４)其中k ω与k q 为增益矩阵,ωe 为误差角速度,q ңe 为误差四元数矢量部分．Z h a n g 等人[１０６]利用滚转与偏航两轴P D 控制及俯仰轴飞轮实现了小卫星稳定控制．同时,通过调节增益系数,文中对收敛时间及控制误差进行了优化．D o r o s h i n [１０７,１０８]研究了偏置动量卫星在控制律m ＝k ω(２５)下的运动问题．O v c h i n n i k o v 等人[１６]提出了可使卫星在轨道平面内实现任意指向的磁控制律,具体形式为:T ＝０k s i n (α０－α)－k s i n (α０－α)B y B z éëêêùûúú(２６)其中α为３Ｇ１Ｇ２转序下第一个姿态角,α０为其目标值．文中分析了重力梯度力矩干扰下卫星的运动,并给了运动形式．W a n g 与Sh t e s s e l [１０９]基于滑模控制提出了偏置动量卫星磁控制律．通过解耦俯仰轴运动方程,设计了针对滚转偏航轴及俯仰轴两种滑模控制律,通过开关转换函数,实现了b a n g Ｇb a n g 控制．基于L Q R 方法的优化方案也可用于偏置动量卫星控制律设计．早在１９９３年,P i t t e l k a u[１１０]就基于L Q R 方法,提出了针对极轨道卫星的最优控制律．文中建立了干扰力矩周期模型,通过求解R i c Ｇc a t i 方程得到了最优控制增益．此后,L a gr a s t a 与B o r d i n [１１１]同样使用L Q R 方法设计了磁控制律,该控制律可抵抗恒定干扰力矩．G u e l m a n 等人[１１２]介绍了应用于小卫星G u r w i n ＧT e c h S A T 的优化控制律．同时,文中提到了一种类似于控制律(２２)的b a n g Ｇb a n g 控制,具体形式为m ＝－k １(Bm e a s －Be x p )－k ２(B m e a s －B e x p )(２７)其中B m e a s 与B e x p 分别为磁强计测量与星载磁场模型计算得到的地磁场强度矢量．P u l e c c h i 等人[１１３]提出了适用于星载计算机的离散L Q R 方法．偏置动量卫星磁控制律的另一种优化方法为H ２与H ɕ方法．W i s ᶄn i e w s k i [１１４]等人使用H ２方法设计了小卫星磁控制律,T r égo u ët [１１５]等人将H ２方法应用于偏置动量卫星．H ɕ方法则可提高控制律对干扰力矩及参数不确定性等因素[１１６Ｇ１１８]的鲁棒性．偏置动量卫星的陀螺稳定性质克服了磁控固有缺陷,同时其设备简单,控制精度高,自上个世纪以来应用广泛,并不断与新技术融合[１１９Ｇ１２２]．后续关于磁控偏置动量卫星的研究会多集中于优化方法应用,如时间最优机动方案设计等．但偏置动量轮体积较大,应用于纳卫星,皮卫星等存在一定局限性,需做进一步研究．３．２．３㊀磁控与重力梯度力矩结合重力梯度力矩也可为卫星提供被动稳定．通过重力梯度杆等装置,地球重力可为卫星提供一轴稳定力矩．该方式在上个世纪卫星任务中应用广泛．同时,为防止卫星绕重力梯度杆旋转等,需利用磁力矩对卫星进行姿态控制．M a r t e l 等人[１２３]将主动磁姿态控制应用于重力梯度卫星,解决了卫星重力梯度杆稳定指向及热量处理问题．文中提出了两种主动磁控制律．控制律(２７)在姿态获取阶段进行角速度阻尼控制．三轴稳定控制阶段则采用P D 控制,通过投影方法,实现高精度稳定．G r a s s i [１２４]同样利用控制律(２７)及基于误差矢量e ң的P D 控制实现了重力梯度小卫星稳定控制,其P D 误差控制律为:m ＝k １e ң＋k ２eң(２８)同时,文中还设计了控制律(２７)的实施阈值,即当误差大于一定阈值时该控制律才会施加于卫星,以防止卫星因仪器测量与执行误差在平衡点附近发生摆动．L o v e r a 与A s t o l f i [１２５]证明了P D 控制律的稳定性．同时,基于磁场平均化理论以及小角速度假设,L o v e r a 与A s t o l f i [１２５]证明了P D 控制可指数收敛．通常控制律得到的理想控制力矩T d 会使用投影方法计算所需磁矩m ．此时施加于卫星的实际力矩T 根据式(１)进行计算．由于T 须垂直于地磁场矢量,因此与理想控制力矩T d 存在一定误差．A r Ｇd u i n i 与B a i o c c o [１２６]针对重力梯度卫星,提出了两种可使T d 与T 误差最小化的方法．其中一种是最小化二者欧拉二范数,另一种则是使T 两轴分量与T d 一致,在满足T 垂直于地磁场矢量的限制下,设计其第三轴力矩分量．B a k 等人[１２７]基于滑模控制提出了姿态阻尼控７。

机器人发展历史智能型机器人是最复杂的机器人，也是人类最渴望能够早日制造出来的机器朋友。

然而要制造出一台智能机器人并不容易，仅仅是让机器模拟人类的行走动作，科学家们就要付出了数十甚至上百年的努力。

1910年捷克斯洛伐克作家卡雷尔•恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik(波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。

1911年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。

它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。

但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

1912年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。

虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。

1913年诺伯特•维纳出版《控制论——关于在动物和机中控制和通讯的科学》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

1914年美国人乔治•德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人(即世界上第一台真正的机器人），并注册了专利。

这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1915年在达特茅斯会议上，马文•明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。

这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫•英格伯格联手制造出第一台工业机器人。

随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。

由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。

1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”（意思是万能搬运），与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。