微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微小衛(wèi)星具有成本低、功能密度高以及研發(fā)周期短等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為航天領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）是其核心，一定程度上決定了衛(wèi)星所能實(shí)現(xiàn)的在軌功能。微小衛(wèi)星的ACS在質(zhì)量、體積以及功耗等方面有嚴(yán)格限制，本文研究目的是探索并研制滿足總體約束和在軌功能要求的高性能ACS。本文以南京航空航天大學(xué)“天巡者”微小衛(wèi)星研制為背景，系統(tǒng)的研究了微小衛(wèi)星ACS相關(guān)理論、方法以及關(guān)鍵技術(shù)，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下： （1）在對(duì)國

2、內(nèi)外微小衛(wèi)星及其ACS研究現(xiàn)狀歸類分析基礎(chǔ)上，通過對(duì)“天巡者”微小衛(wèi)星飛行任務(wù)和總體對(duì)其ACS要求的分析，提出了具有某種優(yōu)勢且切實(shí)可行的ACS方案配置，給出各組成部分的技術(shù)指標(biāo)。建立了完整的微小衛(wèi)星ACS數(shù)學(xué)模型，包括衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、測量參考、執(zhí)行結(jié)構(gòu)以及環(huán)境干擾等模型，對(duì)影響衛(wèi)星姿態(tài)的干擾力矩進(jìn)行了仿真分析，并采用能量分析法研究了衛(wèi)星的穩(wěn)定性。 （2）提出了一種新的姿態(tài)確定組合濾波方法，融合雙矢量姿態(tài)確定算法和EKF、UK

3、F等非線性濾波，將高維觀測量轉(zhuǎn)化為四元數(shù)，使觀測方程轉(zhuǎn)化為線性方程，顯著的減少了計(jì)算量，并提高了濾波精度。以磁強(qiáng)計(jì)、太陽敏感器和陀螺組成姿態(tài)確定系統(tǒng)，采用直接觀測方程，以及q-method和高斯-牛頓算法的預(yù)處理觀測方程，設(shè)計(jì)了無陀螺EKF、有陀螺EKF以及無陀螺UKF共9種濾波器，通過詳細(xì)的仿真分析，表明預(yù)處理觀測方法具有更好的效果。 （3）針對(duì)微小衛(wèi)星初態(tài)控制這一關(guān)鍵技術(shù)，基于噴氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了速率阻尼、擬PD以及限制姿態(tài)反饋等

4、控制律，以適用于大角度姿態(tài)捕獲，并根據(jù)不同的動(dòng)量輪起旋方式，提出了多種初態(tài)控制方案；基于磁力矩器設(shè)計(jì)了B-dot速率阻尼、能量控制、滑?？刂埔约跋拗谱藨B(tài)反饋等磁控制律，提出了B-dot 阻尼加動(dòng)量輪常速起旋、磁控加動(dòng)量輪姿態(tài)捕獲的新方法，給出了Y-Thomson初態(tài)控制方案。對(duì)于所設(shè)計(jì)的噴氣控制和磁控方法進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和仿真驗(yàn)證，為其工程應(yīng)用提供了必要的論證。 （4）對(duì)于微小衛(wèi)星的長期在軌運(yùn)行，設(shè)計(jì)了動(dòng)量輪俯仰控制和磁卸載控

5、制律。提出了新的磁控章、進(jìn)動(dòng)控制律，應(yīng)用MTS法給出其參數(shù)以及時(shí)間響應(yīng)的近似公式，該理論研究及分析對(duì)工程設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)價(jià)值；設(shè)計(jì)了動(dòng)量輪常速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行主動(dòng)磁控的三軸穩(wěn)定控制律，不僅避免了動(dòng)量輪飽和卸載，而且使控制過程操作簡捷。 （5）研究了噴氣系統(tǒng)加偏置動(dòng)量輪的高精度聯(lián)合控制方法，設(shè)計(jì)了LQG控制和Lyapunov控制三軸穩(wěn)定控制律；針對(duì)偏置動(dòng)量微小衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)，設(shè)計(jì)了Lyapunov控制、滑?？刂埔约胺答伨€性化等非線性

6、控制律，用于三軸小機(jī)動(dòng)和俯仰大機(jī)動(dòng)，滿足高精度的同時(shí)還具有實(shí)時(shí)性；深入研究了噴氣故障情況下的欠驅(qū)動(dòng)控制，提出了一種新的姿態(tài)描述方法—— 參數(shù)化法，通過兩次垂直旋轉(zhuǎn)來表示衛(wèi)星姿態(tài)，設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的穩(wěn)定控制和再定位控制律，并通過仿真表明其有效性。 （6）基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行微小衛(wèi)星ACS軟件設(shè)計(jì)，提出了采用微內(nèi)核和軟件層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，完成了多任務(wù)調(diào)度管理、控制模式管理以及各模式的任務(wù)相互通信等設(shè)計(jì)，仿真實(shí)踐表明其