三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是衛(wèi)星的核心部分,一定程度上決定了衛(wèi)星所能實(shí)現(xiàn)的在軌功能。要保證遙感衛(wèi)星的高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的在軌長(zhǎng)期運(yùn)行,必須保證足夠的指向精度和控制穩(wěn)定度。論文研究了衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的多個(gè)關(guān)鍵技術(shù),包括星敏感器姿態(tài)測(cè)量算法、基于魯棒H∞濾波器的姿態(tài)確定算法和基于滑模變結(jié)構(gòu)控制器的姿態(tài)跟蹤控制算法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析證實(shí)了提出的方法能夠充分保證衛(wèi)星上有效載荷的成像精度。論文所作的_豐要工作如下:
　　 建立衛(wèi)星姿態(tài)控制系

2、統(tǒng)相關(guān)數(shù)學(xué)模型,包括姿態(tài)動(dòng)力學(xué)、軌道動(dòng)力學(xué)模型,測(cè)量矢量參考模型,執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,空間干擾力矩模型,定義了常用坐標(biāo)系,姿態(tài)描述方法,以及衛(wèi)星在軌運(yùn)行的工作模式和邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系。
　　 簡(jiǎn)要介紹了星敏感器的技術(shù)指標(biāo),工作模式和誤差來(lái)源,實(shí)現(xiàn)了觀(guān)測(cè)星圖模擬算法,重點(diǎn)研究了星敏感器的姿態(tài)測(cè)量方法,采用SAO星表建立導(dǎo)航星庫(kù),對(duì)觀(guān)測(cè)星圖進(jìn)行預(yù)處理及質(zhì)心定位提取,歸納總結(jié)了現(xiàn)有的幾類(lèi)星圖識(shí)別算法,提出了一種新的基于對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換的改進(jìn)柵格

3、方法,采用對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換將二維特征向量降維描述,設(shè)計(jì)新的特征向量表示規(guī)則,采用哈希表建立和查找導(dǎo)航星庫(kù),仿真驗(yàn)證該方法能夠有效改善和提高星圖識(shí)別算法的性能指標(biāo)。
　　 給出矢量確定算法的基本原理,將離散擴(kuò)展卡爾曼濾波算法應(yīng)用到“星敏感器+陀螺儀”組合中,推導(dǎo)誤差模型,估計(jì)姿態(tài)參數(shù)和其它參數(shù),分析濾波器初始值對(duì)結(jié)果的影響。建立基于“星敏感器+陀螺儀”的系統(tǒng)模型,將非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng),采用魯棒H∞濾波器估計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)參

4、數(shù),建立魯棒濾波器方程,推導(dǎo)增廣濾波誤差方程,根據(jù)有界實(shí)引理及Schur補(bǔ)引理,將對(duì)傳遞函數(shù)H∞范數(shù)的約束條件轉(zhuǎn)換為矩陣不等式,采用變量替換的方式得到關(guān)于魯棒濾波器系數(shù)矩陣的線(xiàn)性矩陣不等式,采用LMI工具箱求解線(xiàn)性矩陣不等式的可行解得到濾波器的系數(shù)矩陣,迭代求解狀態(tài)誤差量。
　　 引入基于Delta算子離散化系統(tǒng)的魯棒H∞濾波器,推導(dǎo)濾波誤差方程,根據(jù)有界實(shí)引理及Riccati不等式推導(dǎo)帶采樣周期的矩陣不等式,應(yīng)用Schur補(bǔ)引

5、理推導(dǎo)新的矩陣不等式,聯(lián)合兩個(gè)不等式采用ILMI方法迭代求解最小化的擾動(dòng)衰減因子γ,求解參數(shù)γ穩(wěn)定下的濾波誤差方程系數(shù)矩陣,推導(dǎo)得到魯棒濾波器系數(shù)矩陣,迭代估計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù),這種方法對(duì)于采樣周期較小的系統(tǒng)具有較好的效果。
　　 建立誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)與誤差動(dòng)力學(xué)方程,在衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤控制中采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器,設(shè)計(jì)控制律,與PD方法對(duì)比分析控制效果。設(shè)計(jì)提出了一種混合參數(shù)積分滑模控制器并應(yīng)用到衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤中,設(shè)計(jì)混合參數(shù)積分滑模面函數(shù),選

6、擇指數(shù)趨近律作為切換函數(shù),采用基于李亞普諾夫函數(shù)的方法推導(dǎo)了控制量的選取方式,并證明了系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性,仿真結(jié)果表明這種基于混合參數(shù)積分滑?？刂破魇諗?、響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)誤差小,控制精度高。
　　 為克服趨近運(yùn)動(dòng)階段魯棒性較弱的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種全魯棒變結(jié)構(gòu)控制器,構(gòu)建非線(xiàn)性切換函數(shù)使系統(tǒng)軌線(xiàn)從開(kāi)始就落在滑模面上,結(jié)合改進(jìn)的指數(shù)趨近律函數(shù),減小振顫,推導(dǎo)干擾力矩有界情況下的控制律函數(shù),保證系統(tǒng)的全程魯棒性,仿真實(shí)驗(yàn)證明了這種全魯棒變