面向立方体卫星的姿态控制策略与控制算法研究

摘要

立方体卫星是一个新创举。由于立方体卫星能快速实现标准化和模块化，因此其具有很好的发展前景。但随着立方体卫星应用日趋复杂化，姿态作为卫星正常运行的重要基础，也面临着越来越严格的要求。小型化、微型化是立方体星的巨大优势，但是也是巨大的限制，立方体卫星上携带的姿态敏感器精度较低，星上太阳能电池片也不能获取足够的电能，与此同时，星上也很难实现硬件备份。在此背景下，本文对面向立方体卫星的姿态控制策略和姿态控制算法进行了研究：
　　首先，论文对姿态确定算法和控制算法进行了研究。根据确定原理的不同，姿态确定方法可以分为姿态确定性方法和滤波算法，文章分别对这两类算法进行了研究和仿真，通过仿真结果可知采用滤波算法相对于姿态确定性方法可以获得更高的姿态确定精度。控制算法方面，针对传统 PID控制器的不足，设计了自适应PID控制律并进行了仿真，仿真结果表明，自适应PID控制律能够快速稳定的收敛到目标姿态。
　　其次，论文以“智能号”手机卫星为载体，根据卫星的任务要求进行了姿态控制策略研究和设计，并针对星上姿态控制系统的信号异常诊断方法进行了研究。针对不同的工作模式，分别进行了仿真并对“智能号”手机卫星的在轨数据进行了分析。
　　最后，论文对姿态敏感器的标定算法进行了研究，分别对陀螺仪和磁强计进行建模，提出了陀螺仪组合标定算法，根据实验数据对算法进行了验证。根据是否需要姿态信息对两类在轨标定算法进行了算法研究，并以磁强计为例进行了在轨标定算法仿真分析。
　　论文全文以“智能号”手机卫星为研究对象，对卫星姿态控制系统的确定、控制算法进行了研究，对姿态控制策略进行了设计，并对姿态敏感器的标定算法进行了仿真、实验验证，形成了面向立方体卫星姿态控制系统设计的完整方案并通过在轨实验验证，对于立方体卫星的设计具有重要参考价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 立方体卫星发展历程及现状

1.2 立方体卫星姿态确定方案

1.3 立方体卫星姿态控制方案

1.4 论文的研究背景和意义

1.5 论文的研究内容和安排

第二章 立方体卫星姿态确定与控制系统设计

2.1 “智能号”手机卫星任务分析

2.2 立方体卫星常用参考坐标系的定义及坐标转换

2.3 立方体卫星常用参考矢量数学模型

2.4 立方体卫星姿态运动学及动力学方程

2.5 立方体卫星扰动力矩分析

2.6 立方体卫星姿态确定与控制系统设计

2.7 本章小结

第三章 卫星姿态确定与控制算法研究

3.1 卫星姿态确定算法研究

3.2 卫星姿态自适应PID控制算法研究

3.3 本章小结

第四章 立方体卫星姿态控制策略研究

4.1 “智能号”手机卫星姿态控制需求分析

4.2 姿态控制策略设计

4.3 姿态控制系统降额控制策略设计

4.4 姿态控制策略算法仿真

4.5 在轨数据分析

4.6 本章小结

第五章 姿态确定敏感器标定算法研究

5.1 姿态敏感器地面标定

5.2 在轨标定算法研究

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果