微小卫星姿态控制系统关键技术研究

论文摘要

微小卫星具有成本低、功能密度高以及研发周期短等一系列优点,成为航天领域的一个重要发展方向,姿态控制系统（ACS）是其核心,一定程度上决定了卫星所能实现的在轨功能。微小卫星的ACS在质量、体积以及功耗等方面有严格限制,本文研究目的是探索并研制满足总体约束和在轨功能要求的高性能ACS。本文以南京航空航天大学“天巡者”微小卫星研制为背景,系统的研究了微小卫星ACS相关理论、方法以及关键技术,主要研究内容和创新性成果如下:（1）在对国内外微小卫星及其ACS研究现状归类分析基础上,通过对“天巡者”微小卫星飞行任务和总体对其ACS要求的分析,提出了具有某种优势且切实可行的ACS方案配置,给出各组成部分的技术指标。建立了完整的微小卫星ACS数学模型,包括卫星运动学、动力学、测量参考、执行结构以及环境干扰等模型,对影响卫星姿态的干扰力矩进行了仿真分析,并采用能量分析法研究了卫星的稳定性。（2）提出了一种新的姿态确定组合滤波方法,融合双矢量姿态确定算法和EKF、UKF等非线性滤波,将高维观测量转化为四元数,使观测方程转化为线性方程,显著的减少了计算量,并提高了滤波精度。以磁强计、太阳敏感器和陀螺组成姿态确定系统,采用直接观测方程,以及q-method和高斯-牛顿算法的预处理观测方程,设计了无陀螺EKF、有陀螺EKF以及无陀螺UKF共9种滤波器,通过详细的仿真分析,表明预处理观测方法具有更好的效果。（3）针对微小卫星初态控制这一关键技术,基于喷气系统设计了速率阻尼、拟PD以及限制姿态反馈等控制律,以适用于大角度姿态捕获,并根据不同的动量轮起旋方式,提出了多种初态控制方案;基于磁力矩器设计了B-dot速率阻尼、能量控制、滑模控制以及限制姿态反馈等磁控制律,提出了B-dot阻尼加动量轮常速起旋、磁控加动量轮姿态捕获的新方法,给出了Y-Thomson初态控制方案。对于所设计的喷气控制和磁控方法进行详细的理论分析和仿真验证,为其工程应用提供了必要的论证。（4）对于微小卫星的长期在轨运行,设计了动量轮俯仰控制和磁卸载控制律。提出了新的磁控章、进动控制律,应用MTS法给出其参数以及时间响应的近似公式,该理论研究及分析对工程设计具有很好的指导价值;设计了动量轮常速旋转的同时进行主动磁控的三轴稳定控制律,不仅避免了动量轮饱和卸载,而且使控制过程操作简捷。（5）研究了喷气系统加偏置动量轮的高精度联合控制方法,设计了LQG控制和Lyapunov控制三轴稳定控制律;针对偏置动量微小卫星姿态机动,设计了Lyapunov控制、滑模控制以及反馈线性化等非线性控制律,用于三轴小机动和俯仰大机动,满足高精度的同时还具有实时性;深入研究了喷气故障情况下的欠驱动控制,提出了一种新的姿态描述方法——（w , z）参数化法,通过两次垂直旋转来表示卫星姿态,设计了欠驱动卫星的稳定控制和再定位控制律,并通过仿真表明其有效性。（6）基于VxWorks实时操作系统进行微小卫星ACS软件设计,提出了采用微内核和软件层次结构的设计思想,完成了多任务调度管理、控制模式管理以及各模式的任务相互通信等设计,仿真实践表明其具有高可靠性、易扩展性等优点,为整个星载软件的实现打下了基础。总之,本文针对“天巡者”微小卫星的功能要求,研究探索一种具有高精度、高可靠性以及高性价比的ACS方案,针对其关键技术提出了解决方法,在理论上、方法上具有多处创新性研究成果,对于满足任务要求和总体约束的高性能微小卫星ACS设计具有较大借鉴意义和应用价值。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 微小卫星国内外研究现状

1.3 姿态控制系统研究现状

1.4 关键技术及内容安排

第二章关于姿态控制系统设计

2.1 卫星任务及对控制系统要求

2.1.1 卫星任务要求

2.1.2 主要技术指标

2.1.3 卫星飞行程序

2.2 姿态控制系统初步方案

2.2.1 姿态控制方案概述

2.2.2 姿态敏感器

2.2.3 执行机构

2.3 本章小结

第三章姿态控制系统数学模型

3.1 卫星姿态描述

3.1.1 坐标系及轨道参数

3.1.2 欧拉角姿态描述

3.1.3 四元数姿态描述

3.1.4 姿态旋转矩阵性质

3.2 测量参考模型

3.2.1 地球磁场模型

3.2.2 太阳矢量模型

3.2.3 陀螺模型

3.2.4 星敏感器模型

3.3 姿态控制模型

3.3.1 姿态运动学模型

3.3.2 卫星动力学模型

3.3.3 偏置动量轮模型

3.3.4 喷气系统模型

3.3.5 磁力矩器模型

3.3.6 干扰力矩及仿真

3.4 卫星能量分析

3.4.1 卫星能量方程

3.4.2 卫星稳定性分析

3.5 本章小结

第四章姿态确定算法研究

4.1 姿态确定算法

4.1.1 Wahba 问题

4.1.2 q-method 算法

4.1.3 高斯-牛顿算法

4.1.4 EKF 滤波器

4.1.5 UKF 滤波器

4.2 姿态确定方案设计

4.2.1 方案设计流程

4.2.2 四元数滤波处理

4.3 无陀螺EKF 滤波器

4.3.1 姿态估计状态方程

4.3.2 直接观测方程

4.3.3 预处理观测方程

4.3.4 仿真结果及分析

4.4 有陀螺EKF 滤波器

4.4.1 姿态估计状态方程

4.4.2 直接观测方程

4.4.3 预处理观测方程

4.4.4 仿真结果及分析

4.5 无陀螺UKF 滤波器

4.5.1 直接观测UKF

4.5.2 预处理观测UKF

4.5.3 仿真结果及分析

4.6 本章小结

第五章喷气系统初始姿态控制

5.1 速率阻尼控制

5.1.1 喷气系统分析

5.1.2 喷气速率阻尼

5.1.3 喷气恒星捕获

5.1.4 仿真结果及分析

5.2 姿态捕获控制

5.2.1 PD 控制律设计

5.2.2 拟PD 姿态捕获控制

5.2.3 限制姿态反馈控制

5.2.4 仿真结果及分析

5.3 动量轮起旋控制

5.3.1 起旋控制律设计

5.3.2 仿真结果及分析

5.4 动量轮先起旋初态控制

5.4.1 初态控制方案选择

5.4.2 仿真结果及分析

5.5 本章小结

第六章在轨运行姿态控制

6.1 长期稳定控制

6.1.1 卫星模型线性化

6.1.2 俯仰轴稳定控制

6.1.3 磁滚动-偏航控制

6.1.4 动量轮饱和磁卸载

6.1.5 仿真结果及分析

6.2 短期高精度控制

6.2.1 喷气滚动偏航控制

6.2.2 LQG 喷气控制

6.2.3 Lyapunov 喷气控制

6.2.4 仿真结果及分析

6.3 姿态机动控制

6.3.1 参考运动轨迹

6.3.2 Lyapunov 控制

6.3.3 滑动模态控制

6.3.4 反馈线性化控制

6.3.5 仿真结果及分析

6.4 本章小结

第七章三轴磁控研究

7.1 磁控速率阻尼

7.1.1 B-dot 纯磁控阻尼

7.1.2 仿真结果及分析

7.2 纯磁控姿态捕获及三轴稳定

7.2.1 能量磁控

7.2.2 限制姿态反馈磁控

7.2.3 拟PD 磁控

7.2.4 滑模磁控

7.2.5 LQG 磁控

7.2.6 仿真结果及分析

7.3 主动磁控加动量轮控制

7.3.1 动量轮起旋与B-dot 控制

7.3.2 磁控加常值动量轮姿态捕获

7.3.3 Y-Thomson 初态控制

7.3.4 磁控加常值动量轮稳定控制

7.3.5 仿真结果及分析

7.4 本章小结

第八章喷气欠驱动控制

8.1 （W,Z）参数化及卫星运动方程

8.1.1 （W,Z）参数化

8.1.2 运动学方程

8.2 喷气欠驱动稳定控制

8.2.1 旋转轴稳定

8.2.2 角速度稳定

8.2.3 三轴姿态稳定

8.2.4 仿真结果及分析

8.3 欠驱动再定位控制

8.3.1 姿态再定位控制

8.3.2 参考轨迹设计

8.3.3 仿真结果及分析

8.4 本章小结

第九章控制系统方案及软件实现

9.1 姿态控制系统方案

9.1.1 姿态控制系统方案设计

9.1.2 实时嵌入式星载计算机系统

9.2 Vxworks 实时系统及其移植

9.2.1 Vxworks 系统介绍

9.2.2 VxWorks 运行环境的建立

9.3 姿态控制总体软件设计

9.3.1 模块化层次结构

9.3.2 调度管理模块设计

9.3.3 仿真结果及分析

9.4 姿态控制模式软件设计

9.4.1 喷气姿态捕获模式

9.4.2 三轴稳定模式

9.4.3 仿真结果及分析

9.5 本章小结

第十章总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

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