偏置动量微小卫星姿态控制系统研究

论文摘要

自上个世纪80年代以来,国际上微小卫星的发展十分迅速,世界上已经有20多个国家和地区开展了微小卫星的研究工作。微小卫星如此势头勇猛的发展,可以说是国际航天技术和空间技术的一场划时代的革命。作为现代微小卫星的关键部分,现代微小卫星的姿态控制系统需具有结构简单、质量轻、可靠性高和低成本等特点。本文以某具体卫星的姿态控制系统的方案论证为背景,对微小卫星的姿态确定技术、磁控技术进行了研究。主要研究工作如下:使用欧拉角和四元数两种卫星描述,建立了完整的卫星姿态运动模型,并分析了卫星受到的各种环境力矩的数学模型。同时给出了欧拉角和四元数之间的转换关系及相关定义。为论文研究的展开奠定了基础。卫星姿态确定和控制系统中一个重要的组成部分就是卫星的姿态敏感器及执行机构,卫星姿态确定的精度和控制效果与之息息相关。对卫星姿态确定及控制所需要的姿态敏感器的测量方程和执行机构的工作原理进行了论述和研究。同时讨论了磁力矩器的磁矩生成和分配方法。姿态确定研究:讨论了扩展卡尔曼滤波的原理及流程,并对状态方程进行了一定程度上的线性化工作,从而利用扩展卡尔曼滤波,设计了多传感器联合滤波定姿算法。讨论了修正罗德里格参数的定义及其与四元数之间的相互转换关系,给出了修正罗德里格参数描述的系统状态方程,同时介绍了SSUT的采样策略及特点。基于修正罗德里格参数和SSUT变换,利用UKF滤波,设计了“磁强计+太阳敏感器”联合滤波定姿算法。并且进行了仿真分析及适用度讨论。磁控技术研究:设计了卫星在初始速率阻尼阶段的磁控算法,即minus B-dot算法,利用磁力矩器阻尼卫星三轴的角速率;基于四元数,设计了偏置动量小卫星的滑模磁控算法;当动量轮停转时,工程中常将重力梯度杆作为一种备份执行机构,从而针对重力梯度稳定卫星,设计了自适应磁控算法。仿真算例表明所设计的磁控算法是有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 国内外微小卫星姿态控制系统研究现状
• 1.2.1 微小卫星姿态控制系统的组成
• 1.2.2 姿态确定系统研究
• 1.2.3 姿态控制系统研究
• 1.3 论文主要工作及章节安排
• 第二章 卫星姿态描述和运动模型
• 2.1 卫星参考坐标系的定义及坐标转换
• 2.1.1 参考坐标系的定义
• 2.1.2 坐标转换
• 2.2 卫星姿态描述和运动学方程
• 2.2.1 欧拉角描述法
• 2.2.2 四元数描述法
• 2.2.3 欧拉角与四元数的转换关系
• 2.2.4 欧拉角运动方程
• 2.2.5 四元数运动方程
• 2.3 卫星刚体姿态动力学方程和干扰力矩模型
• 2.3.1 卫星刚体姿态动力学方程
• 2.3.2 干扰力矩模型
• 2.4 研究对象参数
• 2.5 本章小结
• 第三章 微小卫星姿态敏感器和磁控执行机构
• 3.1 姿态敏感器
• 3.1.1 静态红外地平仪
• 3.1.2 太阳敏感器
• 3.1.3 三轴磁强计
• 3.2 磁控执行机构
• 3.2.1 磁力矩器
• 3.2.2 磁矩的生成和分配方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 偏置动量微小卫星姿态确定系统研究
• 4.1 扩展卡尔曼滤波（EKF）定姿算法
• 4.1.1 滤波状态方程的建立与分析
• 4.1.2 滤波观测方程的建立与分析
• 4.1.3 仿真分析
• 4.2 Unscented 卡尔曼（UKF）滤波定姿算法
• 4.2.1 修正罗德里格参数
• 4.2.2 UKF 滤波
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 偏置动量微小卫星磁控技术研究
• 5.1 速率阻尼阶段磁控律设计
• 5.1.1 速率阻尼磁控律
• 5.1.2 仿真分析
• 5.2 偏置动量小卫星滑模磁控算法
• 5.2.1 偏置动量小卫星动力学和运动学方程
• 5.2.2 滑模控制律
• 5.2.3 仿真分析
• 5.3 重力梯度稳定小卫星自适应磁控算法
• 5.3.1 小卫星动力学及运动学方程
• 5.3.2 自适应控制律
• 5.3.3 仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要研究工作
• 6.2 进一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文