低轨道卫星的高精度姿态控制系统设计

论文摘要

随着当今航天科技的发展,国内外对低轨道小卫星的需求逐渐增大。姿态控制系统是保证卫星稳定运行和基本功能的关键,本文针对低轨道小卫星,系统的研究三轴稳定卫星姿态控制系统,并在星敏感器在轨标定以及控制器设计两方面进行深入研究。描述卫星常用坐标系以及姿态描述方法,建立动力学与运动学模型,引入H_∞控制理论,介绍H_∞控制理论的主要思想及基本理论,为在轨标定及控制器设计奠定理论基础。应用H_∞滤波算法,利用高精度陀螺实现对星敏感器常值误差的在轨标定。采用高精度陀螺获得连续的三轴姿态角速度信息,结合卫星姿态运动学方程,针对星敏感器的常值误差建立星敏感器在轨标定模型,分别应用H_∞滤波算法与卡尔曼滤波算法,完成在轨标定,以确保星敏感器的在轨工作精度。并应用仿真手段对两种算法进行仿真验证。针对低轨道卫星,设计状态反馈H_∞控制器。根据低轨道卫星的特点以及在轨环境,详细分析系统的不确定性以及环境干扰,根据H_∞控制理论针对所选卫星设计状态反馈H_∞控制器,并应用线性矩阵不等式方法求解控制器参数,以简化计算过程。基于以上研究,完成低轨道卫星的高精度三轴稳定姿态控制系统设计。利用高精度陀螺和星敏感器的测量值,通过H_∞滤波算法得到姿态信息,将此姿态信息输送给状态反馈H_∞控制器得出控制指令,利用零动量飞轮根据控制指令对卫星施加相应的控制力矩完成高精度姿态控制任务。同时建立姿态控制系统的闭环仿真环境,对前文设计的姿态控制系统进行验证与分析。仿真结果均验证算法的有效性,证明针对低轨道卫星设计的三轴姿态稳定控制系统可以达到高精度、高稳定度的姿态控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 低轨道卫星研究现状
• 1.2.2 姿态确定系统研究现状
• 1.2.3 在轨标定研究现状
• 1.2.4 姿态控制系统研究现状
• 1.3 本文主要内容
• 第2章 姿态运动学与基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 卫星姿态的描述
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 卫星姿态描述
• 2.3 姿态运动学方程
• 2.4 姿态动力学方程
• ∞控制理论'>2.5 H_∞控制理论
• ∞控制的模型提出'>2.5.1 H_∞控制的模型提出
• ∞标准控制'>2.5.2 H_∞标准控制
• ∞控制中的干扰抑制'>2.5.3 H_∞控制中的干扰抑制
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于高精度陀螺的星敏感器在轨标定
• 3.1 引言
• 3.2 在轨标定系统建立
• 3.2.1 光纤陀螺模型
• 3.2.2 星敏感器模型
• 3.2.3 在轨标定系统模型建立
• ∞滤波器建模与设计'>3.3 H_∞滤波器建模与设计
• 3.3.1 滤波器模型建立
• 3.3.2 线性矩阵不等式
• 3.3.3 滤波器设计
• 3.4 仿真对比及结果分析
• ∞滤波器仿真'>3.4.1 H_∞滤波器仿真
• 3.4.2 卡尔曼滤波器仿真
• 3.4.3 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• ∞控制理论的卫星姿态控制器设计'>第4章 基于H_∞控制理论的卫星姿态控制器设计
• 4.1 引言
• ∞控制系统建模与不确定性分析'>4.2 H_∞控制系统建模与不确定性分析
• 4.2.1 卫星系统模型建立
• 4.2.2 模型的不确定性分析
• 4.2.3 带有不确定性模型的建立
• 4.2.4 低轨环境干扰力矩分析
• ∞控制器设计'>4.3 状态反馈H_∞控制器设计
• 4.4 鲁棒稳定性分析
• 4.5 卫星姿态控制系统仿真与分析
• 4.5.1 仿真方案设计
• 4.5.2 零动量轮分析
• 4.5.3 仿真参数
• 4.5.4 仿真结果与分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢