小卫星姿态快速机动与稳定控制方法研究

论文摘要

在卫星地面观测任务中,如特定目标长时间凝视、单线阵相机立体成像和增大可观测范围等都要求其具有姿态快速机动和快速稳定等敏捷控制能力。针对这一需求,本文将对卫星的姿态快速机动、姿态快速稳定和姿态快速机动过程中稳定等三个方面进行控制律设计研究,具体内容包括:提出了以双框架控制力矩陀螺为执行机构的卫星姿态快速机动控制方法。首先利用最优控制方法设计了快速机动控制律,并采用高斯伪谱法进行了数值计算;其次以最优控制理论得出的最优路径为基础,设计基于Lyapunov函数的姿态跟踪函数,实现短时间内的卫星姿态大角度快速机动。设计了以反作用飞轮为执行机构的卫星姿态快速稳定控制规律。第一种控制律基于卫星的特征模型,利用自适应控制实现卫星的快速稳定,达到抑制卫星振动扰动的目的;第二种控制律基于时标分离原理和预测控制,将卫星姿态控制分为外环姿态角控制以及内环角速度控制分别设计,两者共同结合达到实现姿态快速稳定的目的;第三种控制律利用双曲正切函数的有界性,在控制律设计时考虑卫星输出能力受限约束,可有效避免姿态稳定过程中的飞轮卸载问题。提出了卫星姿态快速机动过程中保持稳定的姿态控制方法。具体地,在提出了姿态机动过程中的稳定度概念和表达式后,将姿态稳定度作为控制目标的一部分与最优控制相结合,设计了姿态快速机动过程中保持稳定最优控制律,并利用时标分离原理设计了外环的期望角速度以及跟踪控制律,以实现姿态快速机动过程中的稳定问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 敏捷卫星的发展现状和趋势
• 1.2.2 执行机构的发展现状和趋势
• 1.2.3 姿态快速机动控制方法研究
• 1.2.4 姿态快速稳定控制方法研究
• 1.3 本文主要研究内容和结构安排
• 第2章 小卫星姿态动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系定义
• 2.3 卫星姿态运动学
• 2.3.1 卫星姿态运动学方程
• 2.3.2 卫星姿态误差运动学方程
• 2.4 卫星姿态动力学模型
• 2.4.1 卫星姿态动力学方程
• 2.4.2 以DGCMG 为执行机构的卫星姿态动力学
• 2.5 CMG 构型分析
• 2.6 DGCMG 的奇异性分析及规避
• 2.7 本章小结
• 第3章 小卫星姿态快速机动控制方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 最优姿态机动控制律设计
• 3.2.1 高斯伪谱法原理
• 3.2.2 最优姿态快速机动控制律
• 3.3 基于路径规划的快速机动控制律
• 3.3.1 快速机动路径规划方法
• 3.3.2 基于路径规划的快速机动控制律
• 3.4 仿真结果及分析
• 3.4.1 基于最优算法的仿真结果
• 3.4.2 基于路径规划的快速机动控制律仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 小卫星姿态快速稳定控制方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于特征模型的自适应姿态稳定控制律
• 4.2.1 卫星动力学特征模型
• 4.2.2 自适应姿态稳定控制律
• 4.3 基于时标分离的模型预测控制律
• 4.3.1 外环控制器设计
• 4.3.2 内环控制器设计
• 4.4 基于双曲正切函数的姿态稳定控制律
• 4.5 仿真结果及分析
• 4.5.1 自适应姿态快速稳定控制律仿真
• 4.5.2 基于时标分离的姿态稳定控制律仿真
• 4.5.3 基于双曲正切函数的姿态稳定控制律仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 快速机动过程中的姿态稳定控制方法
• 5.1 引言
• 5.2 快速机动过程中的姿态稳定最优控制律
• 5.2.1 姿态机动稳定度指标
• 5.2.2 快速机动过程中的姿态稳定最优控制律
• 5.3 基于时标分离的模型预测控制律
• 5.3.1 外环控制器设计
• 5.3.2 内环控制器设计
• 5.4 仿真结果及分析
• 5.4.1 最优控制律仿真
• 5.4.2 时标分离控制律仿真
• 5.5 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