微小卫星姿态确定与控制及其半实物仿真

摘要

微小卫星作为当前航天领域的研究热点，极大地受到了外形尺寸、整星功耗、数据存储量、研制经费等因素的限制。姿态控制系统是微小卫星的核心系统，其设计将不同于传统卫星。本文结合某微小卫星姿态控制系统设计，对微小卫星姿态确定和姿态控制算法进行研究，并通过快速原型化的方式实现对所设计算法的半实物仿真验证，具有较高的理论研究和工程应用价值。主要研究工作总结如下：
　　（1）研究了微小卫星姿态确定策略。针对陀螺、磁强计和太阳敏感器构成的微小卫星姿态测量系统，设计了四种状态估计姿态确定算法，包括基于 EKF和UKF滤波的算法，以及在此基础上构建的基于联邦信息融合的EKF滤波算法和基于信息预处理的EKF滤波算法，通过对小初始状态偏差、大初始状态偏差、部分敏感器失效等情况下的姿态确定问题进行仿真分析，对比各种算法的性能，确定了不同情况下的姿态确定策略。
　　（2）研究了微小卫星姿态控制策略。对微小卫星入轨后的速率阻尼、姿态捕获、三轴稳定和姿态机动四个阶段的姿态控制算法进行了研究，前三个阶段的主动执行器均为磁力矩器，而姿态机动执行器为微喷推力器。对速率阻尼阶段分别设计了 B-dot、PID和两层控制算法，对姿态捕获阶段分别设计了 PD、滑模变结构和两层控制算法，对三轴稳定阶段分别设计了通道解耦控制算法和LQR控制算法，其中，两层控制算法实现了等惯量微小卫星的纯磁控制；对姿态机动阶段，基于姿态路径规划，分别设计了 PD和滑模变结构姿态机动控制算法。通过对多种情况下的姿态控制问题进行仿真分析，对比了各阶段不同算法的性能，进而确定了微小卫星各姿态控制阶段的控制策略。
　　（3）研究了基于快速原型化的微小卫星姿态控制半实物仿真系统。基于快速原型化思想，开发了姿态确定与控制模型的嵌入式目标代码，设计并构建了结合快速原型化姿态控制单机和基于 RT-LAB实时仿真平台的半实物仿真系统，对所设计的姿态确定和姿态控制算法进行半实物仿真，验证了仿真系统的可行性和控制算法的有效性。
　　综上，基于微小卫星有限的姿态测量器件与控制执行器件，论文研究了某微小卫星姿态确定策略、姿态控制策略，及基于快速原型化的半实物仿真。论文的研究成果可为我国其它微小卫星姿态控制系统的设计提供参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 微小卫星

1.2 微小卫星姿态确定与控制技术

1.3 论文研究背景及意义

1.4 主要研究内容

第二章 卫星姿态及相关数学模型

2.1 参考坐标系与坐标转换

2.2 卫星姿态动力学与运动学

2.3 空间环境力矩

2.4 小结

第三章 微小卫星姿态确定算法研究

3.1 姿态敏感器模型

3.2 初始姿态估计小偏差姿态确定算法

3.3 初始姿态估计大偏差姿态确定算法

3.4 小结

第四章 微小卫星姿态控制算法研究

4.1 姿态执行器模型

4.2 微小卫星主动磁控

4.3 微小卫星姿态快速机动控制

4.4 小结

第五章 基于快速原型化的姿态控制系统半实物仿真

5.1 姿态控制流程设定

5.2 基于RTW的姿态控制系统快速原型化设计

5.3 半实物仿真系统方案设计

5.4 半实物仿真验证

5.5 小结

结 束 语

主要研究成果

进一步工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果