航天器姿态半物理仿真原理及其试验方法研究

论文摘要

航天器姿态半物理仿真作为仿真理论研究中的一个重要分支，它可以实现对航天器姿态动力学的仿真及其总体系统性能评估。对其仿真原理、试验方法及其仿真可信度验证进行深入细致地研究，是保证航天器姿态半物理仿真系统具有较高可靠性的基石，也是很有必要的。因此，本文以航天器姿态半物理仿真系统为背景，结合相似理论与仿真可信度理论，着重对航天器在轨阶段、再入阶段姿态半物理仿真原理、试验方法及其仿真可信度等问题进行了研究。本文首先分析了国内外仿真技术的发展和研究概况，讨论了三轴气浮台以及三轴伺服转台的国内外发展状况。接着概述了相似学理论以及可信度理论的国内外研究动态、意义及其在仿真技术中的应用。随后简要综述了变结构控制理论的发展动态及其研究状况。其次基于航天器再入、在轨姿态动力学方程以及气浮台的特性，建立了半物理仿真系统的数学模型。系统地研究了相似学理论，并为仿真系统推导了模型缩比关系约束表达式以及模型相似准则，作为半物理仿真系统设计和指导模型试验的理论依据。分析并研究了半物理仿真可信度评估指标模型、仿真可信度的计算方法及其与仿真置信度之间的定量计算关系。对航天器在轨姿态半物理仿真系统的各部分组成及其主要功能进行了概述，给出了航天器地面模拟系统的缩比选取原则，并对模型相似准则的有效性进行了仿真验证。同时，为了克服气浮台仿真系统的噪声干扰和模型参数不确定等非理想因素的影响，给出了基于直接动态反馈补偿(DDFC direct dynamics feedback compensation)方法的滑模控制器的设计方案。接着，以现有的航天器天线指向半物理仿真系统为背景，讨论了在该系统的研制过程中所遇到的一些问题，并通过分析给出了该系统的误差模型，并对该系统仿真的可信度进行了计算。在深入地研究了三轴气浮台测角系统及其惯量测量方法的基础上，提出了一种新的三轴气浮台测角系统的设计方案，该方法结构简单，只需一个外框架和一组CCD敏感元器件，可以测出台体的三个姿态角，并且具有较高的精度。同时给出了一类新的三轴气浮台转动惯量测量及其平衡标定方法，该测量方法误差小，又无须增添专用测试设备，因而是气浮台试验中一种简单实用的转动惯量测试和台体平衡标定方法，具有一定的工程实际应用价值。另外也给出了三轴气浮台的重力矩计算方法。针对航天器再入姿态动力学的快时变、参数变化范围较大、变化剧烈等特点，分别讨论了航天器再入姿态半物理仿真的几个关键问题：如舵回路仿真模块、气动力矩仿真模块、环境干扰仿真模块等。同时，为了消除地球自转在惯性测量中的影响，详细推算了伺服转台系统的运动学关系，并对伺服转台系统的控制信号进行了分析。为了克服噪声干扰和模型参数不确定等非理想因素对控制系统的影响，给出了基于时间尺度分离的双环滑模控制器的设计方案，并进行了仿真。最后，也对航天器再入姿态半物理仿真的可信度进行了研究。总之，本文是立足于航天器姿态半物理仿真系统工程的实践要求来加以论述的，也希望本文的工作能对仿真工程实践和进一步的深入研究具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 仿真技术
• 1.1.1 仿真技术的国内外发展动态
• 1.1.2 仿真技术的应用与意义
• 1.2 相似理论及可信度研究动态与意义
• 1.2.1 相似理论研究的国内外动态
• 1.2.2 相似理论的研究意义
• 1.2.3 可信度研究的国内外动态
• 1.2.4 仿真可信度理论的研究意义
• 1.3 仿真可信度的概念及其验证方法
• 1.3.1 仿真可信度
• 1.3.2 仿真可信度验证方法
• 1.4 变结构控制
• 1.4.1 变结构控制理论的提出
• 1.4.2 变结构控制理论的发展状况
• 1.5 论文研究背景与内容安排
• 1.5.1 论文背景
• 1.5.2 论文的研究内容及安排
• 第二章 航天器姿态动力学及半物理仿真系统模型
• 2.1 引言
• 2.2 刚体一般运动方程
• 2.2.1 刚体质心平动方程
• 2.2.2 刚体绕质心转动方程
• 2.3 坐标系定义及其转换关系
• 2.3.1 坐标系的定义
• 2.3.2 坐标系之间相关角度的定义及转换矩阵
• 2.3.3 相关角度的计算关系
• 2.4 航天器再入姿态动力学模型
• 2.4.1 作用在再入航天器上的力与力矩
• 2.4.2 再入航天器姿态动力学方程
• 2.4.3 再入航天器姿态运动学描述
• 2.4.4 航天器再入姿态简化控制动力学模型
• 2.5 航天器在轨姿态动力学模型
• 2.5.1 作用在在轨航天器上的力矩
• 2.5.2 在轨航天器姿态动力学方程
• 2.5.3 在轨航天器姿态运动学描述
• 2.5.4 航天器在轨姿态简化控制动力学模型
• 2.6 三轴气浮台仿真系统的动力学模型
• 2.6.1 三轴气浮台系统简述
• 2.6.2 三轴气浮台仿真运动学描述
• 2.6.3 三轴气浮台仿真动力学模型
• 2.7 小结
• 第三章 半物理仿真试验的相似性及其可信度研究
• 3.1 引言
• 3.2 相似学的基本概念
• 3.3 相似模拟及相似准则
• 3.3.1 相似系统建模
• 3.3.2 相似准则
• 3.4 半物理仿真系统可信度研究
• 3.4.1 问题的引出
• 3.4.2 仿真可信度
• 3.4.3 建立可信度评估指标模型
• 3.4.4 权矩阵的确定
• 3.4.5 仿真可信度验证计算
• 3.5 仿真置信度与可信度的定量计算关系
• 3.5.1 置信度理论一般性问题论述
• 3.5.2 仿真置信度与可信度的定量计算关系
• 3.6 小结
• 第四章 航天器在轨姿态半物理仿真试验方法及原理
• 4.1 引言
• 4.2 航天器在轨姿态气浮台仿真系统概述
• 4.3 航天器在轨姿态气浮台仿真系统特点及原理
• 4.3.1 特点
• 4.3.2 气浮台仿真试验原理
• 4.3.3 相似准则有效性验证
• 4.4 基于DDFC的滑模控制器设计
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 基于DDFC的滑模控制器设计
• 4.5 台体动力学模型可信度验证
• 4.5.1 可信度指标模型
• 4.5.2 数据分析
• 4.5.3 可信度计算
• 4.6 小结
• 第五章 航天器天线指向半物理仿真误差模型及可信性分析
• 5.1 航天器天线指向半物理仿真试验系统研制
• 5.1.1 天线的技术途径及技术指标
• 5.1.2 模拟天线结构参数的计算
• 5.1.3 台体配重参数确定与设计
• 5.2 航天器天线指向半物理仿真误差模型与分析
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 模拟天线的技术途径
• 5.2.3 天线回转运动常值误差模型分析
• 5.2.4 天线指向与定向长周期运动误差模型分析
• 5.2.5 异点检测
• 5.2.6 系统仿真结果分析与评价
• 5.3 天线指向动力学模型可信度验证
• 5.3.1 可信度指标模型
• 5.3.2 数据分析
• 5.3.3 可信度计算
• 5.4 小结
• 第六章 气浮台姿态、惯量测量与平衡标定方案研究
• 6.1 引言
• 6.2 三轴气浮台测角系统设计方案
• 6.2.1 系统技术指标及其主要器件
• 6.2.2 系统描述
• 6.2.3 关键技术的拟解决方案
• 6.2.4 激光束像位置信号求取技术
• 6.2.5 台体偏航角度测量系统
• 6.3 三轴气浮台转动惯量测试方案研究
• 6.3.1 引言
• 6.3.2 测试原理
• 6.3.3 台体姿态动力学描述
• 6.3.4 测试系统
• 6.3.5 测试步骤
• 6.3.6 测试结果与误差分析
• 6.4 三轴气浮台重力矩计算与平衡标定
• 6.4.1 重力矩计算
• 6.4.2 平衡标定
• 6.5 小结
• 第七章 航天器再入姿态半物理仿真试验方法及原理
• 7.1 引言
• 7.2 航天器再入姿态半物理仿真系统特点
• 7.3 再入姿态半物理仿真系统组成及原理
• 7.3.1 再入姿态半物理仿真系统的组成及功能
• 7.3.2 航天器再入半物理仿真原理
• 7.4 航天器再入半物理仿真试验方法
• 7.4.1 舵回路模块
• 7.4.2 气动力矩仿真计算模块
• 7.4.3 成形滤波器模块
• 7.5 双环滑模控制器设计
• 7.5.1 引言
• 7.5.2 航天器再入姿态动力学仿真
• 7.6 半物理仿真系统置信度验证
• 7.6.1 置信度验证试验
• 7.6.2 半物理仿真系统置信度计算
• 7.7 小结
• 第八章 结论
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 文章发表、参与课题与奖励情况
• 致谢