微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、從20世紀(jì)80年代美國軍方提出了現(xiàn)代小衛(wèi)星的概念以來，微小衛(wèi)星發(fā)展迅速，成為目前航天器發(fā)展的一個(gè)重要方向。作為現(xiàn)代微小衛(wèi)星的關(guān)鍵部分，現(xiàn)代微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)需具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性高和低成本等特點(diǎn)。本文以某具體衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)的方案論證為背景，對微小衛(wèi)星的姿態(tài)確定技術(shù)、主動(dòng)磁控技術(shù)和姿控算法的硬件實(shí)現(xiàn)問題進(jìn)行了研究。主要研究工作如下： 較全面、系統(tǒng)的總結(jié)了歐拉角和四元數(shù)兩種衛(wèi)星姿態(tài)描述方法，建立了完整的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模

2、型，并分析了衛(wèi)星受到的各種環(huán)境力矩的數(shù)學(xué)模型。 姿態(tài)確定方面：對微小衛(wèi)星的姿態(tài)敏感器的工作原理和測量方程進(jìn)行了研究；基于確定性方法，討論了TRIAD和QUEST兩種雙矢量定姿的具體算法，給出了一種利用地磁矢量和紅外地平儀聯(lián)合定姿的粗定姿算法；基于狀態(tài)估計(jì)法，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波，設(shè)計(jì)了基于“紅外地平儀+ 太陽敏感器+磁強(qiáng)計(jì)”的聯(lián)合濾波定姿算法和基于磁強(qiáng)計(jì)的俯仰通道與滾動(dòng)/偏航通道解耦的卡爾曼濾波定姿算法。通過仿真算例對各定姿算法的

3、定姿精度和適用范圍進(jìn)行了驗(yàn)證。 主動(dòng)磁控方面：介紹了執(zhí)行機(jī)構(gòu)磁力矩器的工作原理和磁控力矩的特點(diǎn)，討論了磁矩生成和分配的兩種方式；設(shè)計(jì)了衛(wèi)星在初始速率阻尼階段的磁控算法；針對偏置動(dòng)量衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性，對其俯仰通道和滾動(dòng)/偏航通道分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的磁控算法；由于偏置動(dòng)量輪有可能會停轉(zhuǎn)，工程中常將重力梯度桿作為一種備份執(zhí)行機(jī)構(gòu)，針對重力梯度穩(wěn)定衛(wèi)星，設(shè)計(jì)了基于歐拉角反饋和基于四元數(shù)反饋兩種形式的PD磁控算法。仿真算例表明所設(shè)計(jì)的磁控算法是

4、有效的。 最后對微小衛(wèi)星姿控算法的FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了初步研究。以Altera公司的Stratix II系列的EP2S60F1024C4芯片作為目標(biāo)器件，利用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了偏置動(dòng)量小衛(wèi)星的雙通道解耦的磁強(qiáng)計(jì)濾波定姿算法和相應(yīng)的磁控算法，并利用Maltab/Simulink和Modelsim，構(gòu)建了基于“Link for modelsim”的微小衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真系統(tǒng)，對實(shí)現(xiàn)的姿控算法進(jìn)行了功能級仿真。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的姿控算法