基于STK的卫星姿态控制仿真技术研究

论文摘要

卫星姿态控制系统设计和仿真是整个卫星设计周期中重要的组成部分,对卫星任务的完成起到了十分重要的作用。在其它分系统正常工作的条件下,资源卫星能否准确拍照、中继卫星能否进行星间的链路通信、卫星星座间的相对位置能否保持等,都是由卫星姿态控制系统来保障的。姿态控制系统的控制效果实时在线显示出来是当前卫星视景仿真系统中的重要内容。本文针对三轴稳定卫星的姿态控制和实时显示问题,进行了深入细致的研究。主要完成了以下几方面的工作：建立了卫星姿态和轨道运动的模型。在卫星的各种姿态描述中,基于四元素的运动学方程具有避免Euler角的奇异问题并且简化了姿态矩阵运算的优点,本文选用了基于四元素的运动学方程。本文所有的设计仿真都是在第三章建立的卫星姿态轨道六自由度模型的基础上完成的。针对执行器为推力器的三轴稳定卫星姿态控制系统,首先研究了推力器的安装位置对控制的影响,建立了推力器组模型。安装了备份推力器并在此基础上使用状态流图进行推力器失效策略的设计。接着设计了PD姿态控制器和对地定向导航模块。通过大角度机动对地定向和对惯性空间定向仿真的实验,验证了整个控制系统的正确性和鲁棒性。针对反作用飞轮三轴稳定卫星姿态控制系统,首先对卫星运动学方程进行了改动,增加了飞轮动量模块。接着研究了反作用飞轮的数学模型以及干扰与噪声,建立了反作用飞轮的模型,分别设计了PID控制器和模糊控制器对小角度姿态机动进行了验证。最后在推力器控制系统和反作用飞轮控制系统的基础上,进行了基于STK实时仿真的研究和设计。建立了STK与Matlab的连接,同步显示了仿真中的三轴卫星的位置和姿态数据。在此基础上又讨论了实时显示的问题,运用RT_LAB编译simulink模型并使之可以运行于QNX实时系统中,解决了单独依靠simulink和STK软件来仿真是不能实时显示的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 卫星姿态控制系统及其可视化的现状及发展
• 1.2.1 卫星仿真技术发展状况
• 1.2.2 卫星姿态控制系统发展状况
• 1.3 本课题的主要工作
• 第2章 相关技术基础
• 2.1 常见的坐标系
• 2.1.1 地球参考模型
• 2.1.2 地球惯性坐标系
• 2.1.3 轨道坐标系
• 2.1.4 地球固定坐标系
• 2.1.5 卫星本体坐标系
• 2.2 卫星轨道的描述
• 2.2.1 二体轨道特性
• 2.2.2 经典轨道根数
• 2.2.3 经典轨道根数与卫星位置速度的相互转化
• 2.3 四元素理论
• 2.3.1 四元素的定义及其运算法则
• 2.3.2 四元素表示矢量旋转
• 2.3.3 四元素表示坐标变换
• 2.3.4 四元素表示的欧拉角关系
• 2.3.5 四元素表示的运动学方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 三轴定向卫星的运动学与动力学建模
• 3.1 卫星姿态的描述
• 3.1.1 方向余弦矩阵
• 3.1.2 欧拉角表示两坐标系关系
• 3.1.3 欧拉轴角式
• 3.1.4 四元素描述的姿态
• 3.2 卫星姿态运动学方程
• 3.2.1 卫星姿态运动学方程推导
• 3.2.2 各种描述姿态方法间的转化
• 3.3 卫星姿态动力学方程
• 3.4 卫星六自由度模型
• 3.4.1 卫星姿态三自由度模型
• 3.4.2 卫星位置速度模型
• 3.5 空间干扰力矩
• 3.5.1 重力梯度力矩
• 3.5.2 太阳辐射力矩
• 3.5.3 气动力矩
• 3.5.4 磁力矩
• 3.6 本章小结
• 第4章 卫星推力器姿态控制系统研究与建模
• 4.1 推力器系统的特点
• 4.2 推力器安装位置的选择和分析
• 4.3 推力器系统设计
• 4.3.1 推力器组建模
• 4.3.2 状态流图介绍
• 4.3.3 推力器失效控制策略
• 4.4 推力器控制器设计
• 4.5 卫星对地定向仿真
• 4.5.1 对地定向原理
• 4.5.2 卫星对地定向建模
• 4.6 大角度对地定向仿真结果
• 4.7 卫星三轴对惯性空间定向仿真结果
• 4.8 本章小结
• 第5章 反作用飞轮控制系统研究与建模
• 5.1 基于反作用飞轮的卫星动力学建模
• 5.2 反作用飞轮干扰和噪声分析
• 5.2.1 反作用飞轮干扰力矩分析
• 5.2.2 反作用飞轮测速噪声分析
• 5.3 反作用飞轮建模
• 5.4 反作用飞轮模糊控制器设计
• 5.4.1 模糊控制器概述
• 5.4.2 模糊控制器设计
• 5.4.3 卫星姿态输入模糊化和解模糊
• 5.4.4 卫星姿态模糊控制规则
• 5.5 仿真结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 卫星姿态控制可视化研究
• 6.1 STK相关技术介绍
• 6.1.1 主要功能
• 6.1.2 STK姿态控制模块
• 6.1.3 STK连接模块
• 6.2 卫星可视化模型建立
• 6.3 STK与MATLAB的连接
• 6.4 卫星姿态实时化
• 6.4.1 实时化显示
• LAB搭建实时仿真模型'>6.4.2 RT_LAB搭建实时仿真模型
• 6.5 实时仿真时间同步问题
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢