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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。
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