微小卫星地磁定姿系统的关键技术研究

摘要

随着现代航天航空事业的发展，低功耗、稳定性高的低轨微小卫星成为了一种趋势。此时根据载体的轨道特性，卫星定姿系统常利用地球免费资源地磁场来进行姿态确定与调整。在实际工程应用中为了提高微小卫星的应用价值，同时满足成本低、可靠性高等实际设计要求，本文所设计的定姿系统是使用磁强计作为卫星姿态信息的测量模块、磁力矩器作为对卫星姿态进行调整的执行模块，同时根据非线性的定姿系统设计了扩展型卡尔曼滤波算法对卫星姿态进行解算，实验结果分析表明本文所研究的定姿系统能够满足中等精度微小卫星的姿控要求。
　　在卫星所处轨道中需要对地磁矢量信息进行精确的采集，针对这一问题本文设计了高精度、低功耗的地磁场矢量采集系统。为避免磁强计中磁滞效应对采集系统精度的影响，文章中对磁传感器采用了置复位电路并对其功能进行了实验验证;同时对采集系统的整体精度进行了测试分析。结果表明整个磁强计模块功耗仅为4.35mA、测量精度可达7nT。
　　传统的微小卫星姿态解算方法存在精度低、占用内存大、计算量大等问题，为了解决这些问题本文提出了基于扩展型卡尔曼滤波的姿态解算算法设计，选用了四元数与角速度的模型来描述卫星的姿态信息，给出了微小卫星的运动学与动力学模型，以及状态方程及测量方程的建立与线性化处理。最后对滤波算法的精度进行了仿真验证，结果表明:卫星姿态角误差＜4°、角速度误差均方差＜0.03°/s，达到设计要求。作为定姿系统的重要组成部分，姿态调整模块需要具有结构简单、工作可靠性高、质量轻等特点，结合这些需求本文选用磁力矩器作为姿态调整的执行器件，分析了磁力矩器的工作原理及卫星姿态调整的磁力矩产生与计算方法，阐述了磁力矩器中磁棒尺寸与匝数的确定方法、磁棒性能测试方法与输出磁矩实验验证分析，结果表明文中所制作的磁力矩器输出磁矩误差＜±0.03Am2、输出磁矩0.2Am2。
　　因此，本文所设计的微小卫星地磁定姿系统体积小、功耗低、响应速度快、结构简单，能够满足中等精度微小卫星的姿控需求。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 微小卫星姿控系统组成和发展

1．2．2 卫星姿态测量与解算算法的研究现状

1．2．3 卫星姿态调整单元的研究现状

1．3 论文的主要研究内容和安排

2 地磁定姿系统总体方案设计

2．1 地磁定姿系统方案设计

2．1．1 地磁定姿系统总体方案

2．1．2 姿态敏感器单元

2．1．3 磁力矩器模块

2．1．4 微处理器单元

2．2 IGRF地磁场模型

2．3 卫星载体姿态参考坐标系及坐标转换

2．3．1 卫星参考坐标系

2．3．2 坐标系转换矩阵

2．4 卫星姿态的欧拉角与四元数描述

2．5 微小卫星姿态描述

2．5．1 微小卫星姿态运动学方程

2．5．2 微小卫星姿态动力学方程

2．6 本章小结

3 基于扩展卡尔曼滤波的地磁定姿算法

3．1 基于磁强计的姿态确定算法

3．1．1 卡尔曼滤波算法基础

3．1．2 卡尔曼滤波算法参数调整

3．2 数学仿真与分析

3．3 本章小结

4 姿态测量系统硬件设计

4．1 测量系统总体框图

4．1．1 磁强计模块

4．1．2 数据采集模块硬件电路设计

4．1．3 姿态测量系统硬件电路

4．2．1 置复位电路测试

4．2．2 采集电路精度测试

4．3 本章小结

5 磁力矩器设计与性能测试

5．1 磁力矩器工作原理

5．1．1 磁棒的磁力矩分析

5．1．2 脉宽调制方法分析

5．2 磁棒的设计

5．2．1 磁棒尺寸的确定

5．2．2 磁棒匝数的确定

5．3．1 磁矩测试原理

5．3．2 磁棒性能测试方案

5．3．3 磁棒测试结果分析

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢