皮卫星姿态确定与控制技术研究

论文题目: 皮卫星姿态确定与控制技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 李东

导师: 王跃林

关键词: 皮卫星,姿态测量,姿态控制,三轴姿态稳定,气浮转台实验

文献来源: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 皮卫星以微电子、微机电、纳机电、精密制造等技术为基础,具有成本低、功能密度高、研发周期短、在轨功能针对性强等优点。 姿态确定与控制子系统是卫星系统的重要组成部分,在一定程度上决定了卫星所能实现的在轨功能。皮卫星平台在质量、体积、功耗、数据存储和运算量等指标上要求严格,研究如何在当前技术水平下,寻找出一种满足系统总体约束和任务要求的ADCS设计方案,是本文的研究目标。 论文首先对“微系统与微器件功能验证皮卫星”进行任务分析,明确卫星总体对ADCS系统的要求,并在比较多种可能的姿态测量与控制方法之后,提出一种可行的皮卫星ADCS子系统总体方案:以“双矢量敏感（地磁强度矢量+太阳方位矢量）”作为基本姿态测量手段,以“俯仰偏置动量轮、俯仰微喷机构组合三轴磁力矩器”构成控制子系统。 在姿态测量子系统设计中,依照结构复用设计思想,首次提出将星体表贴太阳电池阵,复用为全向太阳敏感器解算太阳方位矢量,同时采用商用三轴磁强计和样点卡尔曼滤波算法,解决皮卫星在无角速率敏感条件下的姿态测量和姿态确定问题。理论分析和实验结果表明,太阳矢量测量精度<1.5°（1σ）,磁场强度矢量测量精度<1.275°（1σ）,双参考矢量夹角>31.5°时,可保证双矢量定姿算法精度<3°。启动UKF姿态滤波器后,双矢量可观测时,姿态估计精度<0.5°,角速率估计精度<0.0057°/s;仅磁场强度矢量可观测时,姿态估计精度<3°,角速率估计精度<0.0115°/s。 在姿态控制子系统设计中,依据设计轨道高度（400km）上的干扰力矩水平(气动干扰力矩约3.3×10-8Nm,磁干扰力矩约1.0×10-7Nm)和总体对ADCS子系统提出的要求,方案中实现了三种执行器件组合的控制系统,包括:微型偏置动量轮(额定转速8600rpm,额定功耗180mW,可提供偏置动量1.441×10-3Nms)、俯仰微喷机构（推力69mN,最小推力脉宽10ms）、三轴磁力矩器(开关式控制,额定磁矩输出5.49×10-3Am2,开启时瞬态功耗83.2mW)。这是国内首次在皮卫星平台上实现的三轴稳定姿态控制系统。仿真结果证明,星箭分离后,ADCS系统首先利用B磁控速率阻尼控制律（入轨模式）,在2个轨道周期内,可将星体角速率从4.7°/s衰减至0.01°/s,平均瞬时功耗320mW;之后,切换至三轴稳定模式,约1个轨道周期后,可将三轴姿态指向稳定到3°以内,该阶段平均功耗270mW;进入任务飞行模式后保持三轴姿态稳定指向,常规干扰水平下磁控平均功耗小于40mW,强干扰条件下磁控平均功耗小于70mW,稳态控制时执行机构总功耗可保证250mW以下。总体对ADCS系统提出的要求基本满足。 转台实验是验证姿态控制器件和控制方法的有效手段。在专为皮星开发的微型气浮台上,通过设计的单轴控制实验证明:电池片功率信号,能获得1.3°的测角精度;动量论转速在4000rpm～13000rpm范围内线性程度最好,能保证最低500rpm/s的加

论文目录:

中文摘要

Abstract

第1章 引言

1.1 微小卫星的发展沿革与现状

1.1.1 美国的“小卫星技术创新计划”和“新盛世计划”

1.1.2 纳星、皮星项目

1.1.3 欧空局(ESA)的小卫星计划

1.1.4 英国萨瑞大学的小卫星项目

1.1.5 中国的小卫星项目

1.2 皮、纳卫星姿态确定与控制技术发展现状及存在的问题

1.3 本论文的工作意义和内容

1.3.1 论文的目的

1.3.2 论文的创新点

1.3.3 论文内容

第2章 姿态确定与控制系统总体设计

2.1 卫星姿态确定与控制系统的设计问题

2.2 “微器件空间验证皮卫星”的姿态测量与控制

2.2.1 任务分析

2.2.2 姿态测量和控制方法选择

2.3 本章小结

第3章 卫星姿态运动方程和轨道环境

3.1 坐标系定义

3.2 姿态参数化描述

3.2.1 方向余弦矩阵

3.2.2 欧拉角参数

3.2.3 轴角参数表示法

3.2.4 姿态四元数表示法

3.2.5 改良Rodrigues参数表示法

3.3 姿态动力学方程组

3.4 轨道环境和干扰力矩

3.4.1 稀薄大气和气动力矩

2.4.2 地磁场模型与磁干扰力矩

3.5 轨道相关特性参数

3.6 本章小结

第4章 姿态确定子系统设计

4.1 太阳敏感

4.1.1 传统太阳敏感

4.1.2 太阳电池阵列敏感太阳方位

4.1.3 太阳矢量可解的必要条件

4.1.4 太阳矢量求解

4.1.5 立方体构形可解概率及精度分析

4.2 地磁敏感

4.2.1 三轴磁强计的主要性能指标

4.2.2 磁测方法相关误差来源及量级

4.3 双矢量定姿算法及精度分析

4.3.1 双矢量定姿算法

4.3.2 太阳矢量非充分可解时的定姿处理

4.3.3 双矢量定姿的精度分析

4.4 无角速率敏感器条件下的姿态估计

4.4.1 样点卡尔曼滤波算法简介

4.4.2 UKF姿态滤波器设计

4.4.3 UKF姿态估计仿真实验及结果分析

4.5 星上磁场表

4.6 本章小结

第5章 姿态控制子系统设计

5.1 姿态控制子系统构成与部件设计

5.1.1 星上微控制器

5.1.2 磁力矩器设计

5.1.3 偏置动量轮设计

5.1.4 微喷控制机构设计

5.2 各阶段控制模式与控制规律

5.2.1 初始化模式

5.2.2 入轨模式

5.2.3 三轴稳定模式

5.2.4 安全模式

5.3 本章小结

第6章 控制系统仿真及结果分析

6.1 仿真系统基本结构

6.2 全磁测磁控模式

6.3 俯仰微喷组合磁控速率阻尼模式

6.4 俯仰动量轮组合磁控速率阻尼模式

6.5 稳态磁控模式

6.6 强干扰条件下稳态磁控模式

6.7 本章小结

第7章 ADCS系统地面验证实验

7.1 地面验证实验的系统组成

7.2 气浮转台的阻尼力矩特性

7.3 仿真光源下电池片测角定姿实验

7.4 动量轮转速控制测试

7.5 单轴姿态控制验证实验及结果

7.6 由微喷施加初始扰动的单轴控制验证实验

7.7 本章小结

第8章 全文总结

附录A UKF姿态滤波算法描述

参考文献

读博期间发表的论文与成果

致谢

个人简历

学位论文独创性声明

学位论文使用授权声明

发布时间: 2006-02-08

参考文献

• [1].卫星姿态确定及敏感器误差修正的滤波算法研究[D]. 姜雪原.哈尔滨工业大学2006
• [2].三轴稳定卫星姿态控制算法研究[D]. 吕建婷.哈尔滨工业大学2007
• [3].基于半球谐振陀螺仪与星敏感器的卫星姿态确定[D]. 沈博昌.哈尔滨工业大学2010
• [4].基于力矩陀螺的高分敏捷小卫星姿态机动控制研究[D]. 杜丽敏.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）2012
• [5].高精度三轴稳定卫星姿态确定和控制系统研究[D]. 钱勇.西北工业大学2002
• [6].复杂遥感卫星动力学与控制相关问题研究[D]. 张利新.哈尔滨工业大学2014
• [7].分布式SAR卫星姿态和相对轨道确定及相关问题研究[D]. 刘震昆.电子科技大学2008
• [8].三轴稳定卫星姿态确定与控制系统关键技术研究[D]. 黄晨.哈尔滨工程大学2011
• [9].卫星姿态控制系统的自适应故障补偿与辨识[D]. 马亚杰.南京航空航天大学2015
• [10].执行器故障情况下的航天器姿态容错控制方法研究[D]. 韩宇.哈尔滨工业大学2016

相关论文

• [1].微小卫星姿轨自主确定技术研究[D]. 郁丰.南京航空航天大学2008
• [2].基于星敏感器的卫星三轴姿态测量方法研究[D]. 陈元枝.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2000
• [3].近地卫星自主轨道确定和控制系统研究[D]. 赵黎平.西北工业大学2002
• [4].卫星编队飞行的动力学与控制技术研究[D]. 张玉锟.中国人民解放军国防科学技术大学2002

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