HIT-1号“微型小卫星”姿态控制系统设计

论文摘要

自20世纪80年代美国军方提出了现代小卫星的概念以来,其技术发展非常迅速,目前已经成为航天器发展的一个重要方向。作为现代微小卫星的关键部分,其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HIT-1号微型小卫星方案论证为背景,对微小卫星的姿态确定技术、主动磁控技术和姿态算法的硬件实现问题进行了研究。主要研究工作如下:论文首先对HIT-1号进行总体任务分析,明确总体方案对卫星姿控系统的要求。在对现有的姿态测量与控制方法分析与比较后,提出一种可行的姿控系统总体方案:以“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+三轴磁力矩器”作为卫星的姿态控制系统。对HIT-1进行了姿态确定系统方案设计:依照结构复用思想,将卫星的太阳电池片复用为太阳敏感器解算太阳方位矢量。讨论了基于“磁强计与太阳敏感器（电池片）的TRIAD双矢量定姿算法和基于扩展卡尔曼滤波的联合滤波定姿算法,解决了卫星在无角速率敏感条件下姿态测量和姿态确定的问题。通过仿真算例对定姿算法的定姿精度和适用范围进行了验证。对HIT-1进行了姿态控制系统方案设计:以俯仰偏置动量轮组合三轴磁力矩器构成控制系统主体,分别设计动量轮起旋阶段、入轨阶段、三轴稳定阶段的相关控制规律,并进行了数学仿真验证。同时对动量轮和三轴磁力矩器进行了参数设计。论文最后利用DSP及其它数字电路技术设计了HIT-1号姿控系统的主控板。以TI公司DSP系列TMS320LF2407芯片作为目标器件,利用地面仿真计算机结合Matlab/Simulink和CCS,构建了基于“CCSLINK for DSP”的微小卫星姿态控制仿真系统,对本文所设计的控制算法进行了功能级的仿真验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究的目的与意义
• 1.3 国内外研究现状综述
• 1.3.1 中国小卫星项目
• 1.3.2 国外小卫星项目
• 1.3.3 微小卫星姿控系统发展现状
• 1.3.4 DSP在姿态控制系统中应用分析
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 卫星姿态数学模型建立
• 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 卫星姿态的欧拉角描述及运动学方程
• 2.2.2 卫星姿态的四元数描述及运动学方程
• 2.2.3 欧拉角与四元数的转换关系
• 2.3 卫星姿态动力学方程
• 2.4 空间干扰力矩模型
• 2.4.1 地球大气和气动干扰力矩
• 2.4.2 地磁场模型与磁干扰力矩
• 2.5 本章小结
• 第3章 姿态确定系统设计及仿真
• 3.1 姿态敏感器
• 3.1.1 太阳能电池板复用为太阳敏感器
• 3.1.2 地磁场测量
• 3.2 卫星姿态确定
• 3.2.1 “太阳敏感器+磁强计”双矢量定姿
• 3.2.2 TRIAD定姿算法仿真实验及分析
• 3.2.3 “太阳敏感器+磁强计”扩展卡尔曼滤波定姿算法
• 3.2.4 EKF姿态滤波器设计
• 3.2.5 EKF姿态滤波器仿真实验及分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 控制系统方案设计及数学仿真
• 4.1 控制系统组成及相关参数设计
• 4.1.1 星上微控制器
• 4.1.2 磁力矩器参数设计
• 4.1.3 偏置动量轮参数设计
• 4.2 各阶段控制模式与控制规律
• 4.2.1 初始化模式
• 4.2.2 入轨模式
• 4.2.3 三轴稳定模式
• 4.2.4 安全模式
• 4.2.5 动量轮起旋方案设计
• 4.2.6 安全模式
• 4.3 控制系统仿真及结果分析
• 4.3.1 仿真系统流程及参数
• 4.3.2 初始化模式
• 4.3.3 入轨模式
• 4.3.4 稳态控制模式
• 4.3.5 控制系统全模式数学仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于DSP的姿控系统半物理仿真技术研究
• 5.1 姿控系统主控板设计
• 5.1.1 DSP主控模块设计
• 5.1.2 FPGA/CPLD辅助功能扩展模块
• 5.1.3 FLASH程序储存模块
• 5.1.4 多通道ADC& DAC实现
• 5.1.5 磁强计采集模块
• 5.2 无转台半物理仿真
• 5.2.1 CCSLINK接口简介
• 5.2.2 基于“CCSLINK”的半物理仿真系统
• 5.3 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢