偏置动量重力梯度卫星主动段磁控技术研究

论文摘要

我国航天器应用的宇航级电子元器件主要依靠进口,为打破国外对我国技术的封锁和禁运,国家大力发展搭载试验微小卫星,用于国产关键元器件可靠性的在轨测试验证。采用磁控条件下利用重力梯度杆和偏置动量轮执行机构配置方案不但减小了卫星的质量和尺寸,而且使三轴稳定姿态控制系统具有较高精度。本文主要针对磁控条件下重力梯度杆伸展和偏置动量轮起旋两个动态工作过程进行研究。首先,对于磁力矩器、重力梯度杆和偏置动量轮三种执行机构的数学模型进行了建立,并对其工作原理进行了阐述和说明。然后,对重力梯度杆伸展方案进行了研究。主要提出了两种磁控条件下研究方案,一种是设计固定的伸杆速度,使卫星在指定的伸杆速度条件下完成重力梯度杆的伸展过程。并通过仿真验证了设计方案的可行性。第二种是在磁矩和星体姿态角、姿态角速度的约束条件下进行星体姿态信息反馈的逻辑闭环伸展,重力梯度杆伸展速度是根据星体姿态角和姿态角速度的变化情况实时改变,设计合理的重力梯度杆的伸展速度,从而保证了在伸展过程中星体姿态稳定,并对两种伸杆方案进行比较。接下来,对俯仰轴负方向安装的偏置动量轮的起旋方案进行了研究。在磁控条件下完成偏置动量轮的起旋过程,避免了由于角动量守恒,在动量轮起旋过程中给星体带来的扰动,并根据磁矩饱和限制对偏置动量轮的起旋速度进行了设计。通过仿真验证了设计方案的可行性。最后,对星体在轨运行的姿态控制的各个工作模式特点进行分析。对速率阻尼,重力梯度杆伸展,和偏置动量轮起旋卫星在轨主动段执行机构动态工作过程磁控研究策略的仿真结果进行了验证。通过姿态信息对于重力梯度杆和偏置动量轮两种执行机构的不同机动顺序对于星体的影响进行了比较。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微小卫星姿态控制系统研究现状
• 1.2.2 主动磁控技术研究现状
• 1.2.3 基于磁控的重力梯度卫星姿态控制研究现状
• 1.2.4 基于磁控的偏置动量卫星姿态控制研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 微小卫星姿态控制基础知识
• 2.1 引言
• 2.2 卫星坐标系的选择和坐标变换
• 2.2.1 参考坐标系的定义
• 2.2.2 参考坐标系间的转化
• 2.3 卫星姿态描述
• 2.3.1 欧拉角方法描述卫星姿态
• 2.3.2 四元数方法描述卫星姿态
• 2.3.3 欧拉角与四元数的关系
• 2.4 卫星姿态模型
• 2.4.1 卫星刚体姿态运动学模型
• 2.4.2 卫星刚体姿态动力学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 重力梯度杆伸展磁控策略设计
• 3.1 引言
• 3.2 磁力矩器数学模型的建立及其工作原理
• 3.2.1 磁力矩器数学模型的建立
• 3.2.2 速率阻尼阶段控制律设计
• 3.3 重力梯度杆数学模型的建立
• 3.3.1 重力梯度稳定原理
• 3.3.2 实现重力梯度捕获的条件分析
• 3.4 磁控条件下重力梯度杆伸展策略设计
• 3.4.1 重力梯度杆恒速伸展策略设计
• 3.4.2 重力梯度杆姿态信息反馈伸展策略设计
• 3.4.3 两种重力梯度杆伸杆策略仿真比较
• 3.4.4 重力梯度杆长度选取原则
• 3.5 本章小结
• 第4章 偏置动量轮起旋磁控策略设计
• 4.1 引言
• 4.2 飞轮系统概述
• 4.3 偏置动量卫星主动磁控算法设计
• 4.3.1 偏置动量轮数学模型的建立
• 4.3.2 主动磁控俯仰通道控制算法设计
• 4.3.3 主动磁控滚转和偏航通道控制算法设计
• 4.4 磁控条件下的偏置动量轮起旋策略设计
• 4.4.1 偏置动量轮起旋策略设计
• 4.4.2 起旋策略仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 星体主动段姿态工作模式分析
• 5.1 引言
• 5.2 先伸杆后起旋机动顺序下星体工作模式分析
• 5.2.1 仿真参数及工作模式分析
• 5.2.2 速率阻尼工作模式分析
• 5.2.3 重力梯度杆伸展工作模式分析
• 5.2.4 偏置动量轮起旋工作模式分析
• 5.2.5 稳定控制工作模式分析
• 5.3 先起旋后伸杆机动顺序下星体工作模式分析
• 5.3.1 仿真参数及工作模式分析
• 5.3.2 卫星主动段工作模式分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢