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皮卫星姿态控制硬件设计

贺光红  
【摘要】: 皮卫星集成度高、体积小、质量轻、功耗低、研制周期短、成本低、机动性强,在卫星轨道上形成星群以编队飞行并可把复杂的任务简单化为单一任务分配给星群中的单个小卫星,实现卫星之间的资源与信息共享,完成立体成像、分布式空间测量等较复杂的任务。它的这些优势决定了其在科学研究、商业应用上均将发挥重要作用。 姿态控制硬件系统是皮卫星的重要组成部分,它实现整星姿态的确定和控制。论文中设计的皮卫星姿态控制硬件系统包括控制系统和传感器系统两大部分,控制系统以皮卫星设计中的低功耗理念为基础,实现当前姿态的确定、判断姿态误差并通过执行机构调整姿态;传感器系统主要实现姿态参数的测量并发送给姿态控制系统。设计的目标是通过太阳矢量和地磁场矢量实现双矢量定姿,将惯性敏感器作为重要补充,采取主动磁控方式来控制卫星姿态,最终实现适用于皮卫星姿态确定与控制的低功耗硬件系统。由于太阳敏感器在卫星中的使用已经相当成熟,所以文中重点研究控制系统、磁强计和惯性敏感器的设计。 姿态控制系统的硬件中采用降耗设计;传感器系统使用单指令周期MCU来提高实时性,与通常的MCU相比较速度提高12倍左右;采用多层铺地隔离电磁干扰、单板非层叠结构来实现小体积的磁强计;惯性敏感器设计中实现了高稳定度、高效能的温度控制使用温度控制以稳定其性能,温度稳定度约控制在0.015摄氏度;冷备份磁强计以防止它在粒子辐照下损坏,提高系统在太空中的可靠性。 通过本论文的工作,将皮卫星姿态控制系统的整体功耗降低为原来的一半,实现了姿控中的传感器设计。实际测量得到三轴磁强计系统的1σ噪声为毫高斯量级;惯性敏感器可以提高卫星的定姿精度并成为阴影区定姿的重要依据之一。半实物仿真验证结果表明它满足皮卫星的约束和任务要求,为以后进一步设计提供参考。


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