小卫星高精度姿态控制算法及气浮仿真平台搭建

摘要

航天技术的发展带动着小型化、大角度快速机动小卫星系统的出现，同时小卫星相关控制技术问题也随之变得复杂，此外也带动着卫星地面仿真验证方法的发展。本文将对小卫星姿态控制技术以及地面仿真技术进行研究。 首先，简要介绍本课题研究背景和意义，同时对小卫星姿态机动控制算法的国内外研究现状、气浮仿真平台国内外研究现状、气浮仿真平台自动配平国内外研究现状以及小卫星冷气推进系统的研究现状进行介绍，并在章节最后给出本篇论文研究内容结构图。 其次，研究了小卫星姿态机动相关参数的描述方法，并在此基础上推导出小卫星姿态机动的运动学方程和动力学方程。考虑到飞轮用于姿态机动时自身的局限性，如力矩饱和、限制角速度等因素，根据模型独立、基于欧拉轴转动、基于欧拉轴转动的递阶饱和等不同控制条件，设计了基于小卫星联合执行机构的PD姿态控制律和模糊PD控制律。仿真结果表明，所提出的基于联合执行机构的模糊PD姿态控制律能够在保证控制精度的情况下，可快速完成姿态机动。 为保证气浮仿真平台能够满足模拟小卫星的实验条件，研究了气浮仿真平台自动配平技术。研究过程中，对气浮仿真平台自动配平流程进行了设计，建立了自动配平方法的数学模型，为了提高系统抗干扰性能以及提高系统收敛速度减小配平误差，研究了L1自适应自动配平方法，并给出了数学仿真结果，结果表明在较短的时间内完成配平，精度控制在允许的范围之内。 最后，设计和搭建了基于气浮仿真平台的冷气推进系统。包括冷气推进系统的结构、高压气瓶、阀门组件以及拉瓦尔喷管，对拉瓦尔喷管和阀门组件进行分析研究，开发了推力测试系统，并进行了推力测试实验。

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