快速机动卫星质量矩姿态控制技术研究
发布时间：2020-07-04 00:36
【摘要】：随着微纳卫星在空间环境感知、通信以及遥感等领域的大规模应用,提升微纳卫星平台的快速轨道机动能力的需求越来越迫切。固体火箭推力器具有密度冲量高、结构简单、性能可靠等优势,未来在微纳卫星大规模星座部署、寿命末期离轨以及空间攻防等任务中有较高的应用前景。但推力器普遍存在的推力偏心力矩容易导致卫星姿态发生翻转,严重影响了变轨精度。本文以应用固体火箭推力器完成变轨任务为背景,提出一种质量矩姿态控制技术来实现微纳卫星快速机动过程中的姿态稳定控制,对其中存在的理论和技术问题进行了较为全面的研究。主要工作包括:一,针对卫星变轨机动对姿态控制的需求,结合固体火箭推力器的扰动力矩特性,设计了一种俯仰加偏航二维活动质量块配置的质量矩姿态控制系统。基于牛顿欧拉法建立了八自由度动力学模型,模型包括三维系统平动动力学方程、三维绕形心转动动力学方程以及二维滑块平动动力学方程,在建模过程中首次考虑了固体火箭推力器工作过程中的推进剂质量变化。从模型形式上来看,由于活动质量块运动带来的惯性力以及与星体间的相互作用形成的耦合因素导致动力学模型的形式较为复杂。二,建立了活动质量块运动与姿态角运动之间以及活动质量块驱动力与位移之间的关系表达式,并深入分析了其运动特性。具体开展的工作有:1)通过对推力外力矩的展开式分析得到质量矩控制机理:Y轴和Z轴活动质量块运动时分别产生偏航和俯仰控制力矩,且相互之间不存在协调控制问题;2)展开分析了由于活动质量块运动引入的附加转动惯量、附加惯性力矩、附加哥氏力矩和附加陀螺力矩对姿态角运动的影响,以及由于姿态角运动引入的附加惯性力、附加哥氏力和附加陀螺惯性力对活动质量块位移运动的影响;3)仿真研究了质量矩系统参数对控制系统操纵性能的影响规律,具体包括活动质量块质量比、运动行程,固体推进剂的燃烧方式、结构尺寸,以及活动质量块的安装位置;4)针对活动质量块运动带来的系统抖动以及通道耦合的问题,提出了双对称布局的质量矩执行机构配置形式,修正了姿态控制动力学模型与活动质量块动力学模型,对其动力学特性以及控制性能进行了仿真分析,结果表明:这种构型可以大幅减小附加扰动力矩和附加转动惯量的大小,有效提高质量矩控制系统的操纵性能。三,对姿态控制模型和质量块位置控制模型进行了合理简化,并分析了其跟踪完整模型的误差情况。针对质量矩控制系统的双回路闭环控制问题,采用了两种控制律设计方法:1)为解决推进剂燃烧过程带来的模型参数不确定及外部扰动,设计了一种动态非线性滑模面,并以俯仰姿态控制以及Z轴滑块位置控制为例推导了全局滑模控制律;2)基于标准退步控制设计了质量矩控制律,为解决“微分爆炸”问题,引入了动态面的控制方法,并基于Lyapunov理论进行了稳定性证明。数值仿真结果表明:使用全局滑模控制器能有效克服外部干扰,具有较强的鲁棒性,但俯仰和偏航通道均存在一定的稳态误差,以及产生了4°和2.6°的超调量;而使用动态面退步滑模控制器得到的活动质量块控制力指令能使得俯仰偏航角能在0.5s内快速稳定,系统输出对指令的跟踪性能良好,在变轨结束后轨道系下X轴速度与理想值的偏差仅为0.024m/s,优于全局滑模控制器。四,为拓展质量矩控制技术在卫星无尾部推力时的应用,研究了低轨卫星在气动力矩作用下的质量矩主动姿态控制方法。通过对低轨卫星受到的环境力矩建模以及与质心运动的相关性分析,论述了气动力矩作为主动姿态控制手段的可行性。在对气动力矩作用下的质量矩控制系统完整建模的基础上,研究了其控制机理,并针对活动质量块个数少于姿态自由度个数这类欠驱动控制系统,推导了欠驱动质量矩滑模控制律,仿真结果表明:对于300km轨道高度的立方星来说,当使用质量矩控制时,俯仰通道以及滚动偏航通道分别在500s和3000s左右归于期望姿态,当采用“柔化函数法”设计控制律时能解决滑块位移抖振的问题。五,基于前文理论研究的基础研制了双对称布局的质量矩执行机构,采用直流无刷伺服直线电机作为驱动功能部件,质量矩控制板以STM32F407芯片为核心,控制程序在FreeRTOS实时操作系统下运行。为对质量矩控制概念以及原理样机性能进行验证,设计了一套质量矩桌面演示系统,提出了加速度计陀螺仪组合测量动态刚体姿态的方案,并基于拉格朗日方程建立了演示系统的动力学模型,最后进行了桌面演示验证。试验结果表明:质量矩原理样机的快速性能优异,响应位置指令的时间仅为30ms左右;桌面演示系统的姿态测量方案能准确地实时跟踪运动刚体的姿态;在桌面演示试验中开启质量矩控制后姿态β角和γ角在2～3s左右能稳定下来,稳定后的β、γ角分别控制在0.2°和0.3°的范围内,实现了质量矩控制概念的演示验证。本文主要对快速机动卫星质量矩姿态控制技术进行了深入探讨和研究,拓宽了质量矩控制技术的应用领域,为推动固体火箭推力器在微纳卫星快速机动领域的实际应用提供了理论和实践基础。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.22
【图文】：
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本文编号：2740386
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.22
【图文】：
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本文编号：2740386
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