敏捷小卫星姿态控制方法研究

摘要

敏捷小卫星由于具有大角度姿态快速机动能力，使卫星能够获取非星下点数据，单轨所能获取的信息量大大增加，因此成为了近些年来的研究热点。本文以敏捷小卫星为研究对象，对敏捷卫星大角度姿态快速机动的控制方法进行研究。
　　本研究主要内容包括：⑴建立了基于混合执行机构的卫星姿态动力学和运动学模型，分析了由控制力矩陀螺框架转动所引起的系统转动惯量变化，对由单框架控制力矩陀螺(single-gimbal control moment gyros，SGCMG)和动量轮(momentum wheel，MW)组成的混合执行机构的安装构型进行了设计与分析。⑵求解了卫星姿态机动的最优控制问题，得到卫星姿态机动的最优规划轨迹。对卫星姿态大角度快速机动过程中存在的各项约束条件进行分析，提出了以时间和能量的加权最优和作为卫星姿态机动的目标函数。采用高斯伪谱法求解这一含多约束条件的最优控制问题，给出卫星姿态机动的最优轨迹规划。⑶研究了卫星姿态的闭环新型自抗扰控制方法。将规划得到的最优机动轨迹规划作为跟踪微分器的输出，作为在卫星的控制系统内环加入扩张状态观测器(extended state observer，ESO)，通过ESO对内外扰动进行观测及补偿，将原非线性耦合系统转换为线性积分串联型系统，再对转换后的系统设计相应的控制律。仿真结果表明非线性自抗扰控制方法具有出色的姿态控制效果，但是存在参数不易调节的问题。继而提出线性自抗扰控制方法，其参数可以根据线性控制方法进行调节，并且也取得了较好的控制效果。⑷针对SGCMGs无法避免的奇异问题，提出了基于轨迹规划的混合执行机构姿态控制方法，以尽量减少SGCMGs接近奇异的机率，从而确保卫星姿态的可控性。设计了具有较强鲁棒性的复合滑模控制律给出卫星姿态机动所需的期望姿态控制力矩。首先设计了一种简单的切换控制方法，当满足设定切换条件时，由MWs提供卫星所需的期望姿态控制力矩。由于MWs所能提供的力矩有限，切换控制方法并没有充分利用混合执行机构的优势。因此进一步设计了基于SGCMGs系统实时奇异值分解的混合执行机构控制方法，该方法仅需 MWs提供SGCMGs奇异/准奇异方向的期望控制力矩，仿真结果表明该方法能更好的利用混合执行机构来完成卫星的姿态机动控制。

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第一章 绪论

1.1 研究意义及目的

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 论文内容及创新点

第二章 卫星姿态动力学方程建立及扰动分析

2.1 参考坐标系

2.2 卫星姿态描述及运动学方程建立

2.3 卫星姿态动力学建模

2.4 环境干扰力矩模型

2.5 本章小结

第三章 基于高斯伪谱法的卫星姿态机动最优路径规划

3.1 最优控制问题

3.2 高斯伪谱法基本原理

3.3 数值仿真

3.4 本章小节

第四章 敏捷卫星的姿态自抗扰控制方法

4.1 自抗扰控制理论基础

4.2 非线性自抗扰控制

4.3 线性自抗扰控制

4.4 数值仿真

4.5 本章小结

第五章 基于混合执行机构的姿态复合滑模控制

5.1 复合滑模控制

5.2 混合执行机构的切换控制

5.3 基于实时奇异值分解的混合执行机构姿态控制

5.4 数值仿真

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果