深空探测器高精度姿态容错控制研究

发布时间：2020-07-28 16:00

【摘要】：登陆月球,探测火星,人类对未知宇宙的探索孜孜不倦;浩瀚星空,神秘银河,人类对深空探测的热情方兴未艾。随着深空探测的快速发展,对深空探测器的姿态控制要求也越来越高。而深空探测器往往体型庞大,结构复杂,而且工作环境恶劣,干扰繁多;同时,各工作元件长时间运行很有可能发生故障,而一旦发生故障,势必会对姿态控制系统产生不良影响,轻则导致控制性能下降,重则导致整个探测任务失败。因此,为深空探测器设计具有强鲁棒性的高精度姿态容错控制系统是一项极具挑战性与研究意义的课题。故本文以深空探测器为研究对象,考虑其受到外界未知干扰影响以及内部存在转动惯量不确定性,并同时考虑其执行机构发生多重故障与存在安装偏差的情况,对姿态控制系统的高精度控制与容错控制进行了重点研究。首先,介绍了本课题的研究背景与意义,阐述了深空探测的发展与研究现状,并系统地概述了深空探测器姿态控制技术的研究现状,指出了现有研究方法应用到深空探测器上可能存在的不足之处,并据此确立了本文研究方向与重点。其次,研究了深空探测器姿态控制系统的数学模型。其中,首先介绍了深空探测器姿态描述所需要的常用坐标系,接着对工程应用以及理论研究中常用的姿态描述方法进行了简要的介绍,然后在这个基础上相继建立起深空探测器的运动学方程以及动力学方程,最后分析了深空探测器姿态控制系统中常见的故障并对其进行了数学建模。然后,考虑了深空探测器存在的外界未知干扰与转动惯量不确定性,分析这两者对姿态控制系统控制精度的影响,设计了一种对外部未知干扰以及内部未知扰动具有强鲁棒性的高精度姿态控制器。通过将本文所提出的姿态控制方法与现有文献里的姿态控制方法进行仿真比较,验证了本文提出的姿态控制器具有更快的收敛速率与更高的姿态控制精度。最后,在所设计的高精度姿态控制器的基础上,进一步考虑了执行机构同时发生部分失效故障与偏差故障,并且存在安装偏差下的高精度姿态容错控制问题。针对深空探测器反作用飞轮的不确定性,提出了一种新的控制器设计方法,可以处理更大的安装偏差,同时具有更高的控制精度,并给出了所设计的姿态容错控制器的适用范围,明确了其可以处理的最大安装偏差。通过与其他姿态容错控制方法相比较,表明了所设计的姿态容错控制器能够处理的安装偏差范围更大,而且具有更高的控制精度。在仿真验证中,分别对比了三种故障情况下的控制器性能进行了仿真对比,验证了所设计的姿态容错控制器的有效性及优越性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.2
【图文】：

火星探测器,着陆器,深空探测,火星

2) 俄罗斯俄罗斯继承了前苏联在深空探测领域的绝大部分成果，并且在进入 21 世纪后，制定了以火星探测为核心的一系列深空探测计划[7]。2005 年，俄罗斯联邦政府批准了总经费高达 3000 多亿卢布的“2006 — 2040 年俄联邦航天发展规划”。该规划指出，俄罗斯计划在 2025 年实现载人登月，2035 年左右实现载人火星探测任务。另外，为了尽快弥补与美国在深空探测领域的差距，俄罗斯积极与欧洲太空局展开合作，力求在深空探测领域取得阶段性的成果；同时，俄罗斯还与中国进行合作，共同探索火星。3) 欧空局欧洲太空局，简称欧空局，在进入 21 世纪后制定了三个时期的深空探测战略：在 2010 年之前，发射火星无人自动探测器；在 2020 — 2025 年间，发射月球载人飞船，实现载人登月；在 2025 — 2035 年间，发射火星载人飞船，实现火星登陆考察。2001 年，欧空局制定了名为“曙光”的深空探测计划，并在 2004 年对外公布了号称为“欧洲阿波罗计划”的超大规模星际探索计划[8]，该计划的核心内容是为欧洲各成员国制定了一份实现月球与火星无人探测以及载人登陆的长期战略，并借此寻求新技术的发展以应对未来将会出现的各种挑战。

赤道坐标系,轨道坐标系,地心,质心

态控制系统的数学模型包括姿态运动学方程与姿态动力学方程两方面的内容。在学方程之前，首先需要描述深空探测器在太空中的姿态。在实际的航天工程中通描述姿态，而在理论研究中应用比较广泛的方法则有单位四元数、罗德里格斯参里格斯参数等。建立姿态动力学的数学模型，可以对深空探测器姿态运动的分析助，而基于精确的动力学方程设计的姿态控制器，往往具有比较高的姿态控制精章的主要内容安排如下：首先介绍了深空探测器姿态描述所需要的常用坐标系，用以及理论研究中常用的姿态描述方法进行简要的介绍，然后相继建立起深空探动学方程以及姿态动力学方程，最后分析了深空探测器姿态控制系统中常见的故了数学建模。常用坐标系及姿态描述方法常用坐标系标系的形式有很多，每一种坐标系都有其特点与适用范围。为了正确的描述深空，需要至少定义一个参考坐标系与本体坐标系，两个坐标系的坐标轴之间的角度空探测器的姿态。下面主要介绍本文中将会用到的几个坐标系。

航天器,本体,坐标系

深空探测器高精度姿态容错控制研究动的影响。如图 2.1 所示，地心赤道坐标系e i i iO X Y Z 的原点eO 取在地平面与黄道平面的交线指向春分点方向，e iO Z 轴沿地球自转方向指内，并与其它两轴构成右手坐标系。道坐标系坐标系简称轨道坐标系，是一个以轨道平面与地心定义的坐标系。道平面，坐标原点O为航天器的质心，oOZ 轴指向地心，oOX 轴在向航天器运动的方向，oOY 轴垂直轨道平面与另外两轴构成右手坐本体坐标系坐标系简称本体坐标系，它是一个固连在航天器本体上的坐标系。点O与质心轨道坐标系一致，都位于航天器的质心，其三个坐标轴因此当航天器处在姿态三轴稳定的状态时，那么本体坐标系就会与地，本体坐标系的bOX 轴称为滚动轴，指向航天器的运动方向，O，bOY 轴称为俯仰轴，与其他两轴构成右手坐标系，所以航天器绕O称为滚转角、俯仰角、偏航角。

【参考文献】