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卫星及气浮台质量特性的在线辨识算法研究

作　者: 王书廷
导　师: 曹喜滨
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 气浮台 质量特性辨识 推力器参数 递推最小二乘算法 扩展卡尔曼滤波算法
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 289次
引　用: 3次
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内容摘要


卫星质量特性对姿态控制器设计及控制效果有着很大的影响。在轨运行过程中,由于质量消耗等原因会导致卫星转动惯量及质心位置的变化,实现卫星质量特性的在线辨识能够有效提高姿态控制精度。气浮台能够模拟卫星在轨失重条件下的姿态运动,是卫星姿态控制系统物理仿真的核心部件,其转动惯量和质心偏移引起的重力干扰力矩等决定了基于气浮台的卫星姿态物理仿真系统的性能,并且利用气浮台可以实现卫星质量特性在线辨识算法的地面物理仿真验证,因此本文对卫星和气浮台的质量特性及干扰力矩在线辨识问题进行深入研究。论文的主要工作如下:首先,研究了推力器控制的卫星质量特性在线辨识方法。该方法利用卫星上的陀螺输出和推力器控制指令作为算法的输入,在修正的卫星姿态动力学模型基础上,推导了卫星质量特性在线辨识递推最小二乘算法,将质心位置和转动惯量矩阵的辨识解耦以降低辨识算法的维数,减少计算量。该方法无需增加额外的测量装置和操作,能够实现在线辨识。其次,针对反作用飞轮控制的卫星,提出了一种卫星质量特性在线辨识策略和辨识算法,并利用反作用飞轮产生扰动力矩,推力器作为控制执行机构,使用陀螺测量卫星姿态角速度,实现推力器推力大小和方向等参数的在线辨识。最后,结合五自由度气浮台开发,深入研究了气浮台的转动惯量辨识算法。由于气浮台平衡调试方法和手段的限制,实验过程中气浮台质心与转动中心有一定的位置偏差,必将导致较大的重力干扰力矩,在辨识算法的推导过程中,重点考虑了重力干扰力矩的建模和参数辨识问题,推导了气浮台的转动惯量和重力干扰力矩辨识的扩展卡尔曼滤波算法,并对算法进行了数学仿真和全物理仿真验证。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 课题背景  10-11
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 课题研究的目的与意义  10-11
  1.2 国内外研究现状及分析  11-16
    1.2.1 质量特性测试技术发展现状  11-13
    1.2.2 物理仿真试验  13-16
    1.2.3 气浮台研究现状  16
  1.3 论文的主要研究内容  16-18
第2章 卫星姿态描述和运动模型  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 坐标系  18-19
  2.3 卫星姿态描述  19-23
    2.3.1 欧拉角  19-20
    2.3.2 四元数  20-23
  2.4 卫星运动方程  23-25
    2.4.1 卫星姿态运动学方程  23-24
    2.4.2 卫星姿态动力学方程  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章 推力器控制的卫星质量特性辨识算法  26-40
  3.1 引言  26
  3.2 质量特性辨识原理  26
  3.3 辨识算法  26-30
    3.3.1 推力器控制系统动力学模型  27-28
    3.3.2 质心辨识  28-29
    3.3.3 转动惯量矩阵的辨识  29-30
  3.4 最小二乘估计  30-35
    3.4.1 一般最小二乘估计  30-32
    3.4.2 加权最小二乘估计  32-33
    3.4.3 递推最小二乘估计  33-35
  3.5 仿真与结果分析  35-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章 转动惯量辨识和推力器参数标定算法  40-51
  4.1 引言  40
  4.2 惯量矩阵辨识  40-44
    4.2.1 惯量矩阵辨识方法  40-44
  4.3 推力器参数标定  44-47
    4.3.1 标定技术  44-47
  4.4 控制算法  47-48
    4.4.1 四元数反馈控制器  47
    4.4.2 Bang-Bang反馈控制器  47-48
  4.5 仿真与结果分析  48-50
  4.6 本章小结  50-51
第5章 气浮台质量特性辨识算法  51-64
  5.1 引言  51
  5.2 姿态动力学模型  51-52
    5.2.1 质心偏差引起的力矩模型  51-52
    5.2.2 姿态动力学模型  52
  5.3 扩展卡尔曼滤波原理  52-56
  5.4 应用EKF算法辨识气浮台质量特性  56-57
  5.5 数学仿真与结果分析  57-59
  5.6 全物理仿真试验  59-63
    5.6.1 仿真系统  59-61
    5.6.2 仿真结果  61-63
  5.7 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-69
攻读学位期间发表的学术论文  69-70
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明  70
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书  70
哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理  70-71
致谢  71

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制
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