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小卫星反作用飞轮与磁力矩器联合姿态控制方法研究

作　者: 段晨阳
导　师: 汤国建
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与工程
关键词: 小卫星姿态控制反作用飞轮磁力矩器联合控制
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 379次
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内容摘要

本论文以三轴稳定小卫星高性能姿态控制系统为研究对象,对基于反作用飞轮和磁力矩器联合控制的小卫星姿态控制系统进行研究。重点解决三轴稳定小卫星的反作用飞轮和磁力矩器联合控制,以及飞轮故障模式下的小卫星姿态控制方案和算法等问题,取得了如下创新成果:首先,针对有三轴正交安装反作用飞轮和三轴磁力矩器的小卫星,采用磁控和轮控联合的方案,以充分利用星上硬件资源性能,提高小卫星功能密度。设计了由控制算法和控制分配构成的联合控制方案,以降低控制系统设计的难度;推导了姿态大角度机动的递阶饱和控制算法,并提出了最大磁控力矩和能耗最优两种控制分配策略,数值仿真结果表明本章提出的联合控制方案的合理性和控制算法的有效性。其次,针对单轴反作用飞轮故障的情况,设计使用剩余两轴反作用飞轮和三轴磁力矩器进行联合控制的故障处理方案,推导了故障模式下的联合姿态控制算法,并提出了直接控制分配和控制性能最优两种控制分配策略,数值仿真结果表明了本章提出方法的可行性和算法的有效性。最后,针对两轴反作用飞轮故障的情况,首先验证了使用反作用飞轮和三轴磁力矩器联合控制的控制方案的控制性能,结果表明该方案不能实现小卫星的高精度稳定控制任务。针对剩余俯仰轴反作用飞轮正常工作的特殊情况,提出利用将该轴反作用飞轮起旋为一个动量轮,然后与三轴磁力矩器联合控制的故障处理方案,以提高系统的控制精度,并分别设计了利用磁力矩器的飞轮起旋控制策略和基于遗传算法的控制器参数设计方法。仿真结果表明该方案能够实现较高的控制精度,进一步延长小卫星的任务寿命。本论文对反作用飞轮和磁力矩器联合控制技术,以及飞轮故障模式下的小卫星姿态控制方案和算法等问题进行了一些有益的探讨,以期为我国小卫星的设计与研制提供一些行之有效的技术手段。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景、目的和意义  13-14
  1.2 研究所涉及的关键技术  14
  1.3 国内外研究现状及趋势  14-22
    1.3.1 联合主动磁控小卫星  15-18
    1.3.2 主动磁控理论与方法  18-20
    1.3.3 反作用飞轮控制理论与方法  20-21
    1.3.4 欠驱动航天器控制技术研究  21-22
    1.3.5 不同执行机构联合的小卫星控制技术  22
  1.4 本文的主要研究内容和组织结构  22-23
第2章星体姿态运动模型与地磁场模型  23-34
  2.1 引言  23
  2.2 坐标系  23-24
  2.3 星体姿态运动学模型  24-27
  2.4 星体姿态动力学模型  27-29
    2.4.1 刚体卫星欧拉动力学方程  27
    2.4.2 作用在卫星上的环境力矩  27-29
  2.5 地磁场模型  29-33
    2.5.1 IGRF地磁场模型  30-32
    2.5.2 地磁场矢量在不同坐标系下的表示  32-33
  2.6 本章小结  33-34
第3章基于磁控和轮控的小卫星姿态控制方法  34-52
  3.1 引言  34
  3.2 联合控制的必要性和控制方案  34-38
    3.2.1 联合控制的必要性分析  35-37
    3.2.2 控制方案  37-38
  3.3 基于磁控和轮控的小卫星姿态控制方法  38-44
    3.3.1 控制算法  38-41
    3.3.2 控制力矩分配算法  41-44
  3.4 仿真实验及结果分析  44-51
    3.4.1 仿真参数  44
    3.4.2 姿态大角度机动仿真结果及分析  44-47
    3.4.3 姿态稳定仿真结果及分析  47-51
  3.5 本章小结  51-52
第4章单轴飞轮故障时的小卫星姿态控制方法  52-64
  4.1 引言  52
  4.2 基于轮控和磁控的联合姿态控制方法  52-58
    4.2.1 磁力矩器与反作用飞轮联合姿态控制算法  52-54
    4.2.2 控制力矩分配算法  54-57
    4.2.3 磁卸载算法  57-58
  4.3 仿真实验及结果分析  58-63
    4.3.1 直接控制分配策略仿真结果与分析  58-61
    4.3.2 性能最优控制分配策略仿真结果与分析  61-63
  4.4 本章小结  63-64
第5章两轴飞轮故障时的小卫星姿态稳定控制方法  64-76
  5.1 引言  64
  5.2 基于单轴反作用飞轮和磁力矩器的姿态控制方法  64-67
    5.2.1 控制方案  64-65
    5.2.2 数学仿真  65-67
  5.3 基于俯仰轴飞轮和磁力矩器的姿态控制方法  67-72
    5.3.1 基于磁力矩器的飞轮起旋控制方法  67-69
    5.3.2 基于遗传算法的动量轮与磁力矩器联合控制算法  69-72
  5.4 仿真实验及结果分析  72-75
  5.5 本章小结  75-76
第6章结束语  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-83
在学期间发表论文和成果情况  83

小卫星反作用飞轮与磁力矩器联合姿态控制方法研究

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