三轴稳定微卫星姿态控制系统设计及仿真

论文摘要

微小卫星具有重量轻、体积小、研制成本低等特点,在完成空间任务中起着独特的作用。姿态控制系统是微小卫星完成各种任务的基本前提,是微小卫星的关键技术之一和研究重点。卫星姿态测控系统包括姿态的确定和具体的姿态控制两部分,姿态的确定是根据姿态传感器来获得卫星实时的姿态参数,而姿态控制是指卫星从当前姿态向某一个目标姿态的定向过程。本文系统地研究了三轴稳定卫星的姿态确定及姿态控制系统,提出了基于粒子滤波的姿态参数处理方法,同时,对各主要控制模式进行了详尽的理论分析和具体的仿真研究,并在仿真研究的基础上对姿态控制的软件设计方面进行了较为深入的研究。首先,文章采用太阳敏感器、磁强计定姿方案,并结合新兴的粒子滤波算法对实时的姿态参数进行处理,给出了不同粒子数目下粒子滤波的性能比较。并将粒子滤波算法与EKF滤波算法进行了性能对照,验证了粒子滤波算法对于低精度微小卫星姿态控制的可行性。其次,本文对姿态控制过程中涉及各控制模式进行了仿真研究,并给出了基于磁力矩器的动量轮卸载以及稳态控制模式中的章、进动控制的仿真结果。同时,对卫星姿态机动模式进行了初步的探讨,并对卫星小角度姿态机动进行了仿真,仿真效果良好。最后,本文对姿态控制的软件设计进行了深入研究,根据是否有地面遥控的不同情况,详细的讨论了两种不同的软件设计方法以及具体的实现过程,同时给出了软件运行的最终结果。总之,文章较深入的研究了微卫星姿态控制系统,并对姿态控制系统的软件设计给出了具体的设计方案,对一般卫星姿态控制系统设计及其软件实现具有很好的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的
• 1.2 姿态控制系统概述以及研究现状
• 1.2.1 卫星姿态控制系统概述
• 1.2.2 微卫星的国内外研究现状
• 1.3 论文研究的主要工作
• 第二章 卫星姿态描述及建模
• 2.1 卫星坐标系的选择及坐标变换
• 2.1.1 参考坐标系的定义
• 2.1.2 参考坐标系间的转化
• 2.2 卫星姿态的描述
• 2.2.1 欧拉角描述
• 2.2.2 四元数描述
• 2.2.3 欧拉角与四元数的关系
• 2.3 卫星姿态模型
• 2.3.1 卫星刚体姿态动力学模型
• 2.3.2 卫星刚体姿态运动学模型
• 2.4 空间干扰力矩
• 2.4.1 重力梯度干扰
• 2.4.2 气动干扰
• 2.4.3 剩磁干扰
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于粒子滤波的卫星姿确定
• 3.1 引言
• 3.2 蒙特卡洛粒子滤波算法
• 3.2.1 粒子滤波介绍
• 3.2.2 贝叶斯估计的递推表示
• 3.2.3 粒子抽样方法
• 3.2.4 粒子滤波器的实现
• 3.3 基于太阳敏感器和磁强计的测量模型
• 3.3.1 敏感器的安装及测量原理
• 3.3.3 基于四元数的系统状态方程
• 3.3.4 算法中四元数的处理
• 3.3.5 基于粒子滤波算法的卫星姿态参数处理
• 3.4 仿真结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 卫星姿态控制系统研究
• 4.1 卫星姿态控制系统的主要执行机构
• 4.2 喷气控制系统研究
• 4.2.1 相平面分析法
• 4.2.2 脉宽调制控制
• 4.2.3 喷气速率阻尼
• 4.2.4 喷气捕获太阳
• 4.2.5 仿真结果与分析
• 4.3 偏置动量轮初态控制
• 4.3.1 偏置动量轮数学模型
• 4.3.2 动量轮起旋控制
• 4.3.3 仿真结果与分析
• 4.3.4 喷气与动量轮联合限制姿态反馈控制
• 4.3.5 仿真结果与分析
• 4.4 卫星姿态的稳态控制
• 4.4.1 俯仰通道的姿态控制方法
• 4.4.2 滚动‐偏航通道的磁控制
• 4.4.3 动量轮磁卸载
• 4.4.4 仿真结果与分析
• 4.5 卫星姿态机动控制
• 4.5.1 Lyapunov 控制率设计
• 4.5.2 仿真结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 姿态控制系统软件结构设计
• 5.1 控制系统结构设计方案
• 5.1.1 控制系统的总体设计
• 5.1.2 实时星载操作系统
• 5.2 嵌入式操作系统 VxWorks
• 5.2.1 VxWorks 的组成及特点
• 5.2.2 集成开发环境Tornado
• 5.2.3 VxWorks 的多任务调度原理
• 5.3 姿态控制系统的具体设计
• 5.3.1 姿态控制系统模块化设计
• 5.3.2 姿态控制系统软件设计
• 5.3.3 运行结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本论文工作总结
• 6.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文