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《西北工业大学》 2002年
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高精度三轴稳定卫星姿态确定和控制系统研究

钱勇  
【摘要】: 以某具体卫星姿态控制系统设计为背景,从理论和工程上系统和全面地研究了对地定向三轴稳定卫星姿态控制系统,并在鲁棒卡尔曼滤波算法、姿态确定算法、地球扁率误差补偿以及飞轮控制等方面进行了深入的研究。本文的主要研究工作如下: 1、较全面、系统地总结了欧拉角及四元素两种姿态描述,建立了完整的卫星姿态运动模型。 2、分析了引起地平仪测量误差的主要误差源—地球扁率和大气红外辐射不均匀性。基于单轨迹地平仪研究了地平仪测量姿态角的过程,得到了解析形式的姿态角误差补偿公式。 分析了地球视角半径对地平仪测量过程的影响。地球扁率影响姿态测量是通过引起地球视角半径变化发生的,而地球表面的测地学法线和地心法线的差异是地平仪姿态测量误差的本质。 基于地球椭球模型、地平平面模型和扫描圆锥模型设计了一新型的地平仪扁率误差迭代补偿方法,通过仿真验证了该方法的可行性。 由于限定记忆最小二乘法能够较好地辨识出时变模型参数,将其与广义最小方差控制算法相结合能够较好地跟踪系统动态性能,对陀螺随机漂移实施自适应控制。仿真结果表明该方法能够有效地抑制陀螺随机漂移。 3、基于状态估计法以某气象卫星为对象,采用推广卡尔曼滤波法设计了“陀螺+红外地平仪+磁强计”模式的姿态确定系统,包括姿态敏感器安装、测量模型和姿态确定算法模型及分析。 分析了鲁棒滤波方法,研究了离散不确定系统鲁棒卡尔曼验后滤波算法。分析结果表明在系统存在不确定项时鲁棒卡尔曼滤波算法具有很强的鲁棒性和无偏性。 研究了采用鲁棒卡尔曼滤波法算法估计姿态角速度,并且将该算法应用在卫星初始入轨阶段的速率阻尼,提出了无陀螺卫星速率阻尼的新方法。 4、分析了飞轮系统在考虑可靠性、最佳安装结构情况下飞轮典型安装结构,并对飞轮的稳态运行性能进行了分析。基于PID线性控制律通过仿真比较了轮控典型结构在快速性、功耗等方面的性能。 比较了力矩模式下和速率模式下飞轮转速过零对姿态的影响,结果表明飞轮 面北工业大学博士学位论文 中文扬要 一 系统采用动量模式后姿态控制精度比力矩模式要提高4倍以上。 对飞轮低速dab模型特性和高频补偿方法特点进行了分析,通过“偏胃补 偿+高频振动信号补偿”验证了dab低速模型的可行性,消除了飞轮低速过零 对姿态的影响,使飞轮平稳地改变转向。 5、分析了固定动量轮姿态运动特点,研究了磁力矩控制规律。针对“厂型 轮+磁控“的特点,对系统在非最小相位控制下系统性能进行了分析。对“固定 动量轮+磁控”和“厂型轮十磁控”两种轮控方案通过仿真进行了比较。最后, 分析了太阳光压力矩对卫星姿态的影响及太阳光压力矩的补偿设计。 本文的主要创造性研究成果可以概括为以下几点: l、针对某具体卫星,理论联系工程,研究了地球扁率误差造成姿态角的测 量误差。基于地球椭球模型、地平平面模型和扫描圆锥模型设计了一新型的地平 仪扁率误差迭代补偿方法。 2、研究了基于鲁棒卡尔曼滤波算法估计姿态角速度的新方法,并且将该算 法应用在卫星初始人轨阶段的速率阻尼,提出了无陀螺卫星速率阻尼的新方法。 3、针对“V型轮+磁控”偏置动量系统,提出了一种太阳光压的补偿方江, 该方法对于提高姿态控制精度,具有重要的工程意义。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:V448

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前5条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郑伟光;四旋翼无人机飞行姿态控制系统研究[D];长春理工大学;2010年
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8 褚庆军;三轴稳定卫星姿态控制系统研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
9 李冬柏;反作用飞轮电模拟器设计与应用[D];哈尔滨工业大学;2006年
10 常晓飞;月球着陆舱制动减速段的控制研究[D];西北工业大学;2007年
【参考文献】
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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4 张红良;吴文启;胡小平;;一种新的里程计刻度因子在线辨识算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
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6 陈慧波;丁锋;;基于输出快采样数据的确定性系统最小二乘盲辨识方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
7 邓忠华;李曦;叶小萌;;凹版套色印刷系统的模型控制研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
8 杨晓霞;黄一;;外场标定条件下捷联惯导系统误差状态可观测性分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 王鹏;张迎春;;基于星敏感器/红外地平仪的自主导航方法研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
10 吴彭江;孙明轩;;两种离散时变系统的迭代学习辨识算法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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1 包兴先;基于模型定阶和信号消噪的海洋平台结构模态参数识别研究[D];中国海洋大学;2010年
2 韩丽丽;多率多输入系统的辨识[D];江南大学;2010年
3 高京广;非线性随机系统的稳定、镇定与优化[D];华南理工大学;2010年
4 石善斌;静止轨道多星共位技术研究[D];解放军信息工程大学;2009年
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6 贾辉;高精度星敏感器星点提取与星图识别研究[D];国防科学技术大学;2010年
7 张华;高精度双视场星敏感器关键技术研究[D];华中科技大学;2011年
8 毕胜;变结构飞行器的多刚体建模和姿态控制[D];中国科学技术大学;2010年
9 马立丰;一类非线性随机系统的满意控制与滤波[D];南京理工大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李华英;航空发动机多变量鲁棒控制方法研究[D];南昌航空大学;2010年
2 陈少华;基于Hopfield神经网络控制系统的研究[D];山东科技大学;2010年
3 王垚;液体离心机控制方案设计与实现[D];郑州大学;2010年
4 杨书显;基于PSO算法的氧乐果合成过程建模与控制研究[D];郑州大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 尚玉全,曾云,滕涛,高云;CMOS图像传感器及其研究[J];半导体技术;2004年08期
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【相似文献】
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5 孙海霞 本报记者 于莘明;李恒年:神算“神六”落十环[N];科技日报;2005年
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7 本报记者 曹云坤本报通讯员 曹多杰;田家庵区锐意进取创新业[N];淮南日报;2008年
8 张强 吴永芳 熊卫平 姜宁;勇者无疆伴航天[N];科技日报;2010年
9 本报记者 李艳;从地球到月亮[N];科技日报;2007年
10 姜中殿;在宇宙空间遨游[N];人民日报海外版;2004年
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4 朱长征;基于星敏感器的星模式识别算法及空间飞行器姿态确定技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
5 张晨;基于星跟踪器的航天器姿态确定方法研究[D];华中科技大学;2005年
6 刘志俭;GPS载波相位差分技术、捷联惯性导航系统初始对准技术及其组合技术研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2003年
7 张文明;卫星导航系统干扰抑制技术[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
8 陆宏伟;基于卫星编队遥感图像的对地定位算法研究[D];国防科学技术大学;2004年
9 王鹏;基于星载敏感器的卫星自主导航及姿态确定方法研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
10 钱山;在轨服务航天器相对测量及姿态控制研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 曹阳;三轴稳定卫星姿态确定与控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
2 柏林;三轴稳定卫星姿态确定和姿态控制系统研究[D];西北工业大学;2001年
3 潘旺华;基于多传感器信息融合的卫星姿态确定技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
4 韩聪颖;小型天文卫星高精度姿态确定和控制技术研究[D];西北工业大学;2004年
5 郝东;微小卫星姿态确定与磁控技术研究[D];国防科学技术大学;2011年
6 赵懿;基于HLA的卫星姿态控制系统仿真研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2004年
7 葛益明;卫星姿态确定融合结构设计及乘性噪声处理方法研究[D];国防科学技术大学;2011年
8 宋亮;星敏感器陀螺姿态确定系统在轨标定研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 陈勇昌;CMOS星敏感器硬件系统设计[D];华中科技大学;2007年
10 杨锋;三轴稳定卫星姿态确定及控制系统的研究[D];西北工业大学;2006年
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