视频小卫星姿态控制技术研究

论文摘要

视频小卫星是近年来对地观测发展的一个新兴方向,它利用小卫星姿态控制的低成本和敏捷性特点,结合视频观测的连续性,能够实现对地面目标持续的视频跟踪观测。在轨时,视频小卫星姿态控制系统在工作模式下的任务是通过星载的视频相机,实现对地面目标或者其他目标的长时段连续跟踪的视频观测。本文以解决视频小卫星应用中姿态跟踪控制技术为目标,根据视频小卫星姿态控制执行机构的特点,主要进行了视频小卫星姿态的快速响应初始跟踪控制技术以及高精度稳定跟踪技术研究。本文的主要工作有:以动力学方程与运动学方程为切入点进行了视频小卫星凝视/跟踪的误差分析。推导了求解视频小卫星期望姿态的关系式,基于误差四元数建立了视频小卫星姿态跟踪误差运动学与动力学方程。对影响视频小卫星姿态跟踪的主要误差源进行了建模分析,推导了各误差源与视频小卫星凝视/跟踪误差之间的关系。提出了基于双切换超平面的小推力器系统+飞轮的姿态跟踪复合控制策略。通过计算最大过顶时间,对视频小卫星姿态控制系统提出了快速响应初始跟踪的要求,仿真分析了视频小卫星单独利用飞轮以及小推力器系统进行姿态跟踪控制的缺点。为扬长避短,提出并详细分析了基于双切换超平面的小推力器系统+飞轮的复合控制策略,并进行了单轴姿态跟踪控制以及三轴姿态跟踪控制的仿真,证明了该复合控制策略的可行性和有效性。应用相平面时间最优控制理论以及PWPF调制理论解决了视频小卫星姿态初始跟踪控制问题。基于最优控制理论,设计了小推力器系统的相平面时间最优快速跟踪控制律,消除姿态初始跟踪时的较大偏差。将PWPF调制引入视频小卫星姿态跟踪控制中,增大了控制律设计的灵活性。给出了基于相平面时间最优快速跟踪控制律和PWPF调制PD控制律的单轴姿态跟踪仿真结果,验证了小推力器系统控制律设计的有效性和可行性,实现了快速响应的初始跟踪。应用滑模变结构控制理论以及非线性鲁棒控制理论解决了卫星姿态高精度稳定跟踪控制问题。针对视频小卫星姿态凝视这一典型的非线性控制问题,利用Lyapunov方法,在卫星惯量阵不确定和外界干扰有界情况下,设计了“跟踪前馈补偿+误差PD控制+滑模变结构”的复合控制律,从理论上证明了系统的稳定性,并给出了仿真算例;设计了非线性的鲁棒自适应控制律,利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理证明了控制器的稳定性和估计参数的一致有界性,给出了利用非线性的鲁棒自适应控制律进行姿态跟踪控制仿真结果,实现了高精度的姿态稳定跟踪。设计了基于单轴气浮台的卫星单轴姿态控制全实物仿真验证平台并进行了视频小卫星姿态控制技术单轴全实物仿真验证试验。基于实验室现有的单轴气浮台等设备,设计和建设了具有单轴姿态控制试验能力的卫星姿态控制单轴全实物仿真验证平台。根据视频小卫星姿态控制的任务特点,完成了视频小卫星姿态控制技术的单轴仿真验证试验设计。利用试验平台进行了相关技术的验证试验,试验结果充分证明了本文提出的视频小卫星控制技术的可行性和有效性。本文的研究为视频小卫星姿态控制系统的研制提供了参考方案,在其他具有姿态跟踪任务卫星的姿态控制系统中也具有较好应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 视频小卫星及姿态凝视控制背景介绍
• 1.1.1 视频小卫星及姿态控制任务
• 1.1.2 视频小卫星姿态凝视控制技术
• 1.1.3 姿态凝视，姿态跟踪和姿态机动的关系
• 1.2 姿态跟踪技术与姿态凝视技术的主要问题
• 1.2.1 姿态跟踪技术的一般问题
• 1.2.2 姿态凝视技术的特殊问题
• 1.3 视频小卫星姿态控制技术的研究现状
• 1.3.1 视频小卫星及其姿态控制现状
• 1.3.2 姿态跟踪技术与姿态凝视技术的研究进展
• 1.4 本文需要研究的问题和论文结构
• 1.4.1 本文需要研究的问题
• 1.4.2 论文结构
• 第二章 视频小卫星姿态凝视动力学建模
• 2.1 坐标系定义及姿态四元数运动学
• 2.1.1 相关坐标系
• 2.1.2 卫星姿态描述方法
• 2.1.3 姿态四元数运动学
• 2.2 对一般目标的姿态跟踪运动学
• 2.2.1 姿态误差四元数运动学
• 2.2.2 对一般目标基于误差姿态四元数的运动学方程
• 2.3 视频小卫星对地凝视姿态运动学
• 2.3.1 期望姿态求解
• 2.3.2 对地凝视姿态运动学求解
• 2.4 基于误差四元数的姿态凝视动力学建模
• 2.4.1 卫星姿态动力学方程
• 2.4.2 卫星姿态凝视动力学方程
• 2.5 本章小结
• 第三章 视频小卫星姿态凝视误差分析
• 3.1 影响凝视精度的误差源分析
• 3.1.1 误差源1：卫星星历误差
• 3.1.2 误差源2：地面目标位置误差
• 3.1.3 误差源3：摄像机安装误差
• 3.1.4 误差源4：姿态控制误差
• 3.2 各误差源与观测轴指向误差关系求解
• 3.2.1 卫星星历误差、目标位置误差与观测轴指向误差之间的关系
• 3.2.2 摄像机安装误差与观测轴指向误差之间的关系
• 3.2.3 姿态控制误差与观测轴指向误差之间的关系
• 3.2.4 观测轴指向误差与各误差源的计算关系
• 3.3 各误差源与观测轴角速度误差关系求解
• 3.3.1 卫星星历误差、目标位置误差与观测轴角速度误差之间的关系
• 3.3.2 摄像机安装误差与观测轴角速度误差之间的关系
• 3.3.3 姿态控制误差与观测轴角速度误差之间的关系
• 3.3.4 观测轴角速度误差与各误差源的计算关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 视频小卫星姿态凝视双切换超平面控制策略研究
• 4.1 初始跟踪和稳定跟踪存在问题
• 4.1.1 过顶时间
• 4.1.2 初始跟踪与稳定跟踪问题
• 4.1.3 飞轮控制和小推力器系统控制存在的问题
• 4.1.4 飞轮初始跟踪控制存在问题的仿真说明
• 4.1.5 小推力器系统稳定跟踪控制存在问题的仿真说明
• 4.1.6 单切换超平面存在问题的说明
• 4.2 基于双切换超平面的姿态凝视控制策略
• 4.2.1 基于双切换超平面的小推力器+飞轮复合控制思想
• 4.2.2 基于双切换超平面的小推力器+飞轮复合控制策略
• 4.2.3 双切换超面选择原则
• 4.3 基于双切换超平面的小推力器+飞轮复合控制策略验证
• 4.3.1 小推力器系统相平面控制+飞轮PD 控制方法设计
• 4.3.2 小推力器系统相平面控制+飞轮PD 控制仿真算例
• 4.3.3 小推力器系统相平面控制+飞轮PD 控制结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 视频小卫星姿态凝视初始跟踪控制研究
• 5.1 小推力器系统时间最优控制方法
• 5.1.1 小推力器系统时间最优控制律设计
• 5.1.2 小推力器系统时间最优控制仿真算例
• 5.2 小推力器系统脉冲调制控制方法
• 5.2.1 小推力器脉冲调制理论和方法介绍
• 5.2.2 基于小推力器系统PWPF 调制的控制律设计
• 5.2.3 基于小推力器系统PWPF 调制的复合控制仿真
• 5.3 基于小推力器系统PWPF 调制的三轴姿态跟踪控制方法
• 5.3.1 三轴姿态跟踪控制策略及控制律设计
• 5.3.2 三轴姿态跟踪段控制仿真参数
• 5.3.3 三轴姿态跟踪段控制仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 视频小卫星姿态凝视稳定跟踪控制研究
• 6.1 姿态稳定凝视控制的两个主要问题
• 6.1.1 卫星惯量矩阵不确定和外部干扰不确定
• 6.1.2 两个问题的解决思路
• 6.2 前馈补偿+PD 控制+滑模变结构的复合控制律
• 6.2.1 滑模变结构控制方法
• 6.2.2 稳定跟踪的前馈补偿+误差PD+滑模变结构控制器设计
• 6.2.3 稳定跟踪的前馈补偿+误差PD+滑模变结构控制仿真
• 6.3 非线性鲁棒自适应控制律
• 6.3.1 自适应控制方法
• 6.3.2 稳定跟踪的鲁棒自适应控制律设计
• 6.3.3 稳定跟踪的鲁棒自适应控制仿真
• 6.4 本章小结
• 第七章 视频小卫星姿态控制技术单轴全实物仿真验证
• 7.1 卫星姿态控制技术单轴全实物仿真验证平台
• 7.1.1 系统工作原理
• 7.1.2 系统方案设计及组成
• 7.1.3 单轴台转动惯量测量原理
• 7.2 视频小卫星姿态控制技术单轴验证仿真试验设计
• 7.2.1 试验目的
• 7.2.2 试验方案设计
• 7.2.3 试验步骤
• 7.3 视频小卫星姿态控制技术单轴验证及结果分析
• 7.3.1 视频小卫星姿态控制技术单轴验证结果
• 7.3.2 视频小卫星姿态控制技术单轴验证结果分析
• 7.4 本章小结
• 总结与展望
• 总结
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果