敏捷衛(wèi)星快速機動及穩(wěn)定方法研究.pdf

1、 國內(nèi)圖書分類號：V448.2 學校代碼：10213 國際圖書分類號：629.78 密級：公開 工學碩 學碩士學 士學位論文 論文 敏捷衛(wèi)星快速機動及穩(wěn)定方法研究 碩 士 研 究 生 ： 楊云剛 導(dǎo) 師 ： 孫兆偉 教授 申 請 學 位 ： 工學碩士 學 科 ： 飛行器設(shè)計 所

2、 在 單 位 ： 衛(wèi)星技術(shù)研究所 答 辯 日 期 ： 2013 年 7 月 授予學位單位 ： 哈爾濱工業(yè)大學 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 I 摘 要 敏捷衛(wèi)星能在短時間內(nèi)完成姿態(tài)快速機動，非常適合應(yīng)用于我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)工程建設(shè)。合理的路徑規(guī)劃，能有效地縮短完成機動任務(wù)所需的時間，提高控制效率和精度。要使敏捷衛(wèi)星實現(xiàn)快速機動和穩(wěn)定，還必須選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)，同時，需要設(shè)計優(yōu)良的姿態(tài)控制器。本文對敏捷衛(wèi)星

3、姿態(tài)快速機動及穩(wěn)定相關(guān)問題進行了深入研究。 首先， 以采用控制力矩陀螺的剛體衛(wèi)星為控制對象， 以四元數(shù)為姿態(tài)參數(shù)，建立了敏捷衛(wèi)星姿態(tài)運動學和動力學方程。根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)原理，對快速機動過程進行了三段式路徑規(guī)劃（加速段、勻速段和減速段） ，并對轉(zhuǎn)折處的角速度作了 Hermite 插值處理?；谡`差四元數(shù)和誤差角速度，建立了敏捷衛(wèi)星誤差運動學和誤差動力學方程。通過仿真對比，說明了路徑規(guī)劃的優(yōu)點。 其次，對敏捷衛(wèi)星的執(zhí)行機構(gòu)配置方案進行了研究。針

4、對單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)自身的奇異問題，分析了奇異產(chǎn)生機理，推導(dǎo)并比較了偽逆操縱律、奇異魯棒逆操縱律、廣義奇異魯棒逆操縱律和預(yù)測奇異魯棒逆操縱律，仿真表明后兩種操縱律能有效脫離系統(tǒng)奇異，但會引入力矩偏差。鑒于單框架控制力矩陀螺和反作用飛輪各自的優(yōu)勢，提出了聯(lián)合執(zhí)行機構(gòu)方案。此外，對變速率控制力矩陀螺的結(jié)構(gòu)及工作原理進行了研究，并為其設(shè)計了偽逆解加零運動的系統(tǒng)操縱律。仿真結(jié)果表明，金字塔構(gòu)型的 VSCMG 系統(tǒng)能夠提供精確的控制力矩，而且

5、不會進入奇異狀態(tài)，因而是敏捷衛(wèi)星較為理想的執(zhí)行機構(gòu)。 最后，針對敏捷衛(wèi)星姿態(tài)快速機動任務(wù)要求，設(shè)計了基于誤差四元數(shù)和誤差角速度的 PD 控制器， 并通過 Lyapunov 直接法證明了其穩(wěn)定性。 在此基礎(chǔ)上，考慮了執(zhí)行機構(gòu)力矩飽和及星體最大轉(zhuǎn)動速率約束因素，設(shè)計了遞階飽和 PID控制器，并在控制器中引入積分分離因子和遇限削弱積分因子，解決了積分飽和問題。該控制器的指令控制力矩不會超出最大輸出閾值，執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生的力矩偏差也較小，而且穩(wěn)態(tài)精