敏捷衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)及穩(wěn)定方法研究.pdf

1、 國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：V448.2 學(xué)校代碼：10213 國(guó)際圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：629.78 密級(jí)：公開(kāi) 工學(xué)碩 學(xué)碩士學(xué) 士學(xué)位論文 論文 敏捷衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)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(qǐng) 學(xué) 位 ： 工學(xué)碩士 學(xué) 科 ： 飛行器設(shè)計(jì) 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(xué)位單位 ： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 I 摘 要 敏捷衛(wèi)星能在短時(shí)間內(nèi)完成姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)，非常適合應(yīng)用于我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)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(jī)動(dòng)任務(wù)所需的時(shí)間，提高控制效率和精度。要使敏捷衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)和穩(wěn)定，還必須選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)，需要設(shè)計(jì)優(yōu)良的姿態(tài)控制器。本文對(duì)敏捷衛(wèi)星

3、姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)及穩(wěn)定相關(guān)問(wèn)題進(jìn)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(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程。根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)原理，對(duì)快速機(jī)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了三段式路徑規(guī)劃（加速段、勻速段和減速段） ，并對(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)和誤差動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)仿真對(duì)比，說(shuō)明了路徑規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)。 其次，對(duì)敏捷衛(wèi)星的執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置方案進(jìn)行了研究。針

4、對(duì)單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)自身的奇異問(wèn)題，分析了奇異產(chǎn)生機(jī)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(cè)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(huì)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(shì)，提出了聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案。此外，對(duì)變速率控制力矩陀螺的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了研究，并為其設(shè)計(jì)了偽逆解加零運(yùn)動(dòng)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(huì)進(jìn)入奇異狀態(tài)，因而是敏捷衛(wèi)星較為理想的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 最后，針對(duì)敏捷衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)了基于誤差四元數(shù)和誤差角速度的 PD 控制器， 并通過(guò) 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(jī)構(gòu)力矩飽和及星體最大轉(zhuǎn)動(dòng)速率約束因素，設(shè)計(jì)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(wèn)題。該控制器的指令控制力矩不會(huì)超出最大輸出閾值，執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力矩偏差也較小，而且穩(wěn)態(tài)精