双体卫星快速姿态机动控制研究

发布时间：2020-05-14 06:03

【摘要】：空间科学是当今自然科学重大发现与突破不断涌现的热点学科。空间科学任务的实现,需要通过科学卫星搭载有效空间载荷进行科学探测试验。获取高质量的空间探测数据需要具有高精度高稳定度的空间平台。目前卫星在轨运行能源系统仍包含太阳帆板等挠性附件,导致卫星振动并传导至载荷,使载荷观测精度受到很大影响。双体卫星在物理结构上将载荷与卫星平台完全分离,使平台的振动不会影响载荷的指向精度,为高精度高稳定度空间观测提供了可能。本论文主要针对双体卫星系统,考虑输入受限,进行双体卫星姿态机动以及相对位置控制研究。主要研究内容有:针对双体卫星姿态机动问题,分析了双体卫星的结构特性,对非接触磁浮机构原理和工作特性进行了分析和说明,对双体卫星工作模式进行了分类。建立常用坐标系以及双体卫星特有的载荷舱和平台舱本体坐标系。在此基础上,建立了载荷舱和平台舱数学模型。针对双体卫星避碰的需求,建立载荷舱质心和平台舱质心的相对位置运动方程,并推导得到磁浮机构线圈与磁钢的相对位置动力学模型,分析了两舱质心相对位置动力学方程和磁浮机构线圈与磁钢的相对位置动力学的相关关系,建立载荷舱姿态与两舱相对位置位姿一体化动力学方程。针对双体卫星姿态机动过程中存在的最大角加速度和最大角速度约束,为了克服角加速度突变对稳定性的影响,设计了一种角加速度连续的正弦角加速度曲线机动路径。并以设计的正弦机动路径为期望目标,设计载荷舱和平台舱姿态跟踪PD控制律以及两舱相对位置PD控制律。根据磁浮机构构型配置,设计基于伪逆的控制分配策略,建立磁浮机构实际输出力模型。为了进一步提高两舱相对位置控制精度,根据磁浮机构线圈与磁钢的相对位置动力学模型,设计了基于指数趋近律的两舱相对位置滑模控制律。通过数学仿真验证了正弦角加速度曲线的动态性能以及两种相对位置控制方案的有效性。针对载荷舱输入受限问题,设计了基于反正切函数的非线性反步姿态控制器,通过控制增益的选取,可以预设控制力矩的上界。为了进一步提升两舱协同机动能力,考虑两舱相对位置与相对姿态的耦合,基于位姿一体化动力学方程,设计了一种控制输入受限条件下的自适应滑模控制律。最后通过数学仿真验证了设计的控制器能够使得双体卫星在输入受限情况下能以较短的过渡时间到达期望姿态,完成快速姿态机动。
【图文】：

探测器,空间科学,双体卫星,银河系

双体卫星结构模型，该模型也是将传统卫星的载荷舱与平台舱分离，通过非接触的磁浮机构和传感器连接两舱，平台舱作为服的高精度指向服务。星的概念新颖，但其中还包含着很多技术问题亟待解决，主要有[3]、磁浮机构输出饱和[4]、柔性电缆和反电动势效应对载荷舱精。本文正是基于双体卫星这一新型卫星结构，为了为光学载荷提环境，研究双体卫星的结构特性、运行模式以及姿态机动控制外研究现状探测器发展及技术需求学任务的实现，很大程度上依赖于航天技术的发展，通过航天器荷，进行科学探测以及科学试验。空间飞行器是空间科学发展的学计划的实现离不开科学卫星的支持。

示意图,被动隔振系统,示意图

良好的抑制效果[9]。主动隔振系统示意图如图 1-3 所示，系统的刚度参数和参数通过主动反馈控制进行调整以提高隔振效率。文献[10]通过压电陶瓷片的相对位置传感器进行主动位置反馈，实现了主动阻尼控制，但主动控制对定的模态振型具有反馈控制的“水床效应”，即降低某频段干扰时会导致另段干扰放大。文献[11]对于宽频段提出了一种自适应神经网络前馈控制律，于大型空间结构的振动抑制，并对外界输入信号的依赖程度较小。对于空基干涉仪和空间光学望远镜[12]等高精度设备，恒星干涉仪任务需要在 10m 挠性以及反作用飞轮的干扰下满足光学器件 10nm 级的稳定度需求[13]。针对此类定度需求，文献[14]提出了正交六杆组成的 Stewart 主动隔振平台，该平台对振动和低频振动均具有良好的隔振效果，其隔振频带可到 5-100Hz，，其执行为音圈电机。结合条纹跟踪光学控制系统，Stewart 平台能够满足空基光学干 10nm 级稳定度的需求[15]。主动隔振系统的优点有：能克服被动隔振时低频与高频抑制的矛盾，并可根据环境变化随时改变控制算法，克服被动隔振时隔振和载荷扰抑制矛盾。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.22

【参考文献】