微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)關鍵技術研究.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，成為航天領域的一個重要發(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)星所能實現(xiàn)的在軌功能。微小衛(wèi)星的ACS在質量、體積以及功耗等方面有嚴格限制，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“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相關理論、方法以及關鍵技術，主要研究內容和創(chuàng)新性成果如下： （1）在對國

2、內外微小衛(wèi)星及其ACS研究現(xiàn)狀歸類分析基礎上，通過對“天巡者”微小衛(wèi)星飛行任務和總體對其ACS要求的分析，提出了具有某種優(yōu)勢且切實可行的ACS方案配置，給出各組成部分的技術指標。建立了完整的微小衛(wèi)星ACS數(shù)學模型，包括衛(wèi)星運動學、動力學、測量參考、執(zhí)行結構以及環(huán)境干擾等模型，對影響衛(wèi)星姿態(tài)的干擾力矩進行了仿真分析，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，將高維觀測量轉化為四元數(shù)，使觀測方程轉化為線性方程，顯著的減少了計算量，并提高了濾波精度。以磁強計、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-牛頓算法的預處理觀測方程，設計了無陀螺EKF、有陀螺EKF以及無陀螺UKF共9種濾波器，通過詳細的仿真分析，表明預處理觀測方法具有更好的效果。 （3）針對微小衛(wèi)星初態(tài)控制這一關鍵技術，基于噴氣系統(tǒng)設計了速率阻尼、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；基于磁力矩器設計了B-dot速率阻尼、能量控制、滑模控制以及限制姿態(tài)反饋等磁控制律，提出了B-dot 阻尼加動量輪常速起旋、磁控加動量輪姿態(tài)捕獲的新方法，給出了Y-Thomson初態(tài)控制方案。對于所設計的噴氣控制和磁控方法進行詳細的理論分析和仿真驗證，為其工程應用提供了必要的論證。 （4）對于微小衛(wèi)星的長期在軌運行，設計了動量輪俯仰控制和磁卸載控

5、制律。提出了新的磁控章、進動控制律，應用MTS法給出其參數(shù)以及時間響應的近似公式，該理論研究及分析對工程設計具有很好的指導價值；設計了動量輪常速旋轉的同時進行主動磁控的三軸穩(wěn)定控制律，不僅避免了動量輪飽和卸載，而且使控制過程操作簡捷。 （5）研究了噴氣系統(tǒng)加偏置動量輪的高精度聯(lián)合控制方法，設計了LQG控制和Lyapunov控制三軸穩(wěn)定控制律；針對偏置動量微小衛(wèi)星姿態(tài)機動，設計了Lyapunov控制、滑?？刂埔约胺答伨€性化等非線性

6、控制律，用于三軸小機動和俯仰大機動，滿足高精度的同時還具有實時性；深入研究了噴氣故障情況下的欠驅動控制，提出了一種新的姿態(tài)描述方法—— 參數(shù)化法，通過兩次垂直旋轉來表示衛(wèi)星姿態(tài)，設計了欠驅動衛(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實時操作系統(tǒng)進行微小衛(wèi)星ACS軟件設計，提出了采用微內核和軟件層次結構的設計思想，完成了多任務調度管理、控制模式管理以及各模式的任務相互通信等設計，仿真實踐表明其