论文摘要
敏捷卫星推扫模式是一种复杂但应用前景非常广泛的工作模式,能够实现对于任意地表轨迹的连续成像。该技术对于切换过程中的姿态控制和成像过程中的姿态控制有多种复杂要求。同时,对于复杂姿态机动中的机动速度、姿态指向精度、姿态角速度精度有很高的要求。论文针对上述问题开展了相应的姿态机动控制策略与算法研究,充分发掘提供姿态机动能力和姿态机动过程控制精度的方法,识别出影响姿态机动能力和姿态机动过程控制精度的重要设计要素,以支持敏捷平台的优化设计。论文的主要工作如下:首先,建立了敏捷卫星姿态控制系统相关数学模型,主要包括:定义了卫星姿态控制系统常用坐标系,姿态描述方法及其转换关系,建立了姿态运动学模型,刚体动力学模型,挠性动力学模型以及卫星姿态滑模变结构控制的基本原理。其次,对推扫模式的姿态规划问题进行了描述,对推扫成像模式下的切换过程中挠性附件振动对姿态指向精度和稳定度的影响进行了分析,针对激发挠性振动的主要因素机动角加速度ω不为零的情况,规划了合理的姿态机动路径来抑制挠性振动,在目前姿态机动路径的研究基础上,设计了加速段、减速段非对称式的姿态路径,建立了关于路径参数的优化模型,利用优化算法求取最佳机动路径,仿真结果表明所设计的正弦型角加加速度姿态路径对挠性附件振动有较好的抑制作用;建立了推扫模式成像过程中摄影地速模型和积分时间模型,以速高比恒定为前提设计了成像过程中的姿态机动路径,实验结果表明以速高比为指导的姿态路径可有效降低成像过程中积分时间的频繁调整。再次,对推扫模式的姿态确定问题进行了描述,给出敏捷卫星姿态机动时“陀螺+星敏感器”联合定姿原理,建立了陀螺测量模型,在分析了星体角速度对CCD散焦成像影响的前提下,推导了姿态大角度快速机动下的星敏感器测量模型,建立了状态方程和测量方程并对其线性化,应用扩展式卡尔曼滤波（EKF:Extended Kalman Filter）进行数据处理并对其精度进行分析,针对EKF算法中存在的系统噪声统计特性未知和非线性很强时系统误差较大的问题,改进了 EKF算法,通过噪声观测器对系统噪声和测量噪声进行实时估计,对观测矩阵h（Xk）的迭代运算,实时计算雅克比阵,保证估计值和观测值的较高吻合度,仿真验证了该算法在姿态大角度机动情况下的有效性,满足敏捷卫星推扫模式对姿态精度和稳定度的要求。最后,对推扫模式的姿态控制问题进行了描述,给出典型执行机构单框架控制力矩陀螺（SGCMG:Single Gimbal Control Moment Gyroscope）的工作原理、构形类别,对五棱锥构形SGCMGs进行了奇异分析,选取带零运动的伪逆操纵律对SGCMGs构形奇异进行回避,利用输入成形和滑模变结构相结合的复合控制方法实现推扫模式切换过程中的高精度控制,针对传统输入成形对闭环内扰动过于敏感的问题,设计了内闭环一阶鲁棒输入成形器来抑制挠性附件因姿态机动而激发的振动,采用滑模变结构对姿态规划路径进行精确跟踪;同时,为保证推扫模式成像过程中对成像目标的有效捕获,对成像过程中星下点速度与推扫速度方向不一致时产生的偏流角进行了分析,通过姿态的偏航补偿实现对偏流角的修正控制,合理控制像移,满足成像的高精度要求。仿真结果表明,所设计的控制器能够有效解决相应的实际问题,验证了所设计控制策略的有效性及合理性。