基于微型动量轮组的皮纳卫星姿态控制系统研究

摘要

随着微小型化技术的发展，皮纳卫星开始承担越来越多的新技术验证甚至军事、民用任务，这对皮纳卫星的姿态控制能力提出了更高的要求。然而由于皮纳卫星自身的质量、体积、功耗等限制，难以获得性能指标优良的姿态控制执行机构，导致控制精度一直没有显著的提高。微型反作用轮组是皮纳卫星姿态控制发展的重要方向，但前些年国际上多个卫星出现微型反作用轮在轨失效，在本论文开始前，尚未见到高可靠微型反作用轮的成功报道。本论文从皮纳卫星的工程需求出发，综合分析了国内外研究现状和趋势，通过建立理论分析和仿真模型，对微型反作用轮及轮组的设计方法进行了研究，在此基础上开展了反作用轮实现卫星姿态控制和姿态快速机动的控制算法研究。论文主要创新性成果如下:
　　(1)针对皮纳卫星用反作用轮组的设计约束和性能需求，建立了微型反作用轮质量效率数学模型，利用该模型对3种常用的动量轮质量块结构进行了定量比较分析，结果表明在皮纳卫星应用中梁结构质量块的质量效率为最佳;建立了微型反作用轮动不平衡数学模型，结合结构设计，分析了动不平衡对结构设计参数和加工工艺误差的要求。根据上述分析优化了微型反作用轮单体和轮组设计方案，完成了轮组结构设计、电路及控制软件设计，研制了动量轮和轮组，并对性能进行了测试分析。设计研制的2组8只动量轮分别应用于两颗ZDPS-2卫星，目前已在轨运行接近两年，圆满完成任务目标和寿命考核。
　　(2)提出了利用微型动量轮组实现ZDPS-2卫星姿态稳定和机动的设计方案。针对ZDPS-2卫星携带大型展开机构挠性大、基频低、星体与动量轮转动惯量比大等问题，提出了基于磁力矩器辅助动量轮控制方案，设计了控制算法，建立了控制系统仿真模型，确定了控制参数，设计了控制软件。在不到12个月的有限研制时间内，完成了上述软硬件研制和测试验证工作。ZDPS-2在轨工作结果表明，研制的微型反作用轮组和控制算法成功实现了大转动惯量皮纳卫星的姿态稳定和机动，主要技术指标满足任务要求，主要功能和性能与地面仿真分析吻合，保障了皮星二号在轨长期稳定工作，圆满完成用户任务要求。针对在轨工作中发现的动量轮饱和较频繁的问题，分析比较了金字塔形、三正一斜等不同轮组方案的性能，提出了改进方案。并提出了利用磁控与反作用轮紧耦合的前馈磁卸载、反作用轮转速管理等优化方案，仿真分析表明该方案可获得更好效果。
　　(3)针对对地光学遥感应用中高精度对地凝视成像、多观测点顺序成像、区域扫描成像等工作模式，研究了微动量轮组实现姿态高精度凝视控制、快速频繁机动控制等系列问题。在对地凝视控制中提出了滑膜控制和前馈+PD控制两种方案，利用仿真模型分析对比了不同控制参数的效果，对控制参数进行了优化;在多点凝视机动控制中，提出了无路径规划的“bang-bang+末端PD”的控制模式和有路径规划的“前馈+全程PD”的控制模式两套方案，分析比较了不同参数条件下的控制结果，给出了控制参数优选方法和优选值;在区域扫描方案中提出了小角度姿态机动控制方案，通过仿真分析了其可行性。
　　综上，本文结合ZDPS系列卫星工程应用需求，从理论和工程上对反作用轮组的设计和基于轮组的姿控系统进行了深入研究，上述成果已成功应用于在轨工作的ZDPS-2卫星，并为正在研制的下一代高精度遥感皮纳卫星提供了关键技术。

目录

声明

致谢

摘要

插图清单

1．绪论

1．1．课题背景及研究意义

1．2．国内外研究现状与发展趋势

1．2．1．微型动量轮组及其可靠性

1．2．2．高精度的卫星姿态控制算法

1．2．3．遥感皮纳卫星姿态机动研究

1．3．论文的主要内容及安排

2．微型反作用轮组设计

2．1．ZDPS-2卫星姿控系统简述

2．2．微型反作用轮设计

2．2．1．反作用轮质量块设计方案分析

2．2．2．反作用轮组振动分析

2．2．3．反作用动量轮单体设计方案

2．3．反作用轮组设计方案

2．3．1．反作用轮组结构设计

2．3．2．反作用轮控制电路及软件设计

2．4．反作用轮组性能及误差分析

2．4．1．反作用动量轮组性能分析

2．4．2．控制系统误差分析

2．5．本章小结

3．基于反作用轮组的皮纳卫星姿态控制系统设计

3．1．基于反作用动量轮的姿控系统

3．1．1．基于反作用动量轮组的姿态控制模块

3．1．2．姿控算法设计

3．1．3．姿控系统地面仿真及分析

3．1．4．姿控系统在轨数据及分析

3．1．5．ZDPS-2在轨姿控效果分析

3．2．反作用轮组结构优化

3．2．1．金字举形结构设计

3．2．2．修正三正一斜结构设计

3．3．姿控系统优化及仿真

3．3．1．系统参数的优化

3．3．2．大角度机动的磁控轮控联合控制

3．3．3．前馈卸载算法的引入

3．3．4．角动量管理模块的引入

3．3．5．系统仿真与分析

3．4．本章小结

4．对地观测皮纳卫星姿控系统设计

4．1．对地观测皮纳卫星姿控系统

4．1．1．对地观测卫星轨道及配置方案

4．1．2．姿态控制系统的需求及约束

4．1．3．反作用轮组设计方案

4．2．对地凝视算法

4．2．1．凝视控制模型

4．2．2．基于滑模控制的模型

4．2．3．基于前馈与PD的组合控制模型

4．2．4．两种凝视模型的对比与小结

4．3．多凝视点算法

4．3．1．不合路径规划的姿态机动方案

4．3．2．含路径规划的姿态机动方案

4．3．3．两种机动方案的对比与小结

4．3．4．多点间的凝视切换仿真

4．4．区域扫描算法

4．5．小结

5．总结与展望

参考文献