基于陀螺飞轮的航天器姿态角速度测量方法研究

发布时间：2020-10-13 06:22

　　 作为一个角动量体,陀螺飞轮可通过改变其角动量幅值和指向,实现航天器三轴姿态控制力矩的输出。若同时对改变陀螺飞轮角动量指向的控制力矩及其它相关量进行测量,并通过算法解算,可以实现对航天器两轴姿态角速度的测量。这一实现方式将显著提高航天器姿态控制系统的集成度,减小系统的质量和体积。本文以航天器执行器与敏感器一体化实现为研究背景,针对具有多自由度动量交换功能的陀螺飞轮系统,以如何实现航天器两维姿态角速度测量功能为目标,进行了如下几方面的研究:首先,针对陀螺飞轮的理想模型建立及验证问题,在给出坐标系定义的基础上,分别从矢量力学和分析力学角度,基于牛顿-欧拉法和拉格朗日法建立了陀螺飞轮本体理想动力学模型。同时,利用多体动力学仿真软件SimMechanics搭建了陀螺飞轮本体仿真平台,通过仿真平台与动力学模型的相互比较,验证了所推导的陀螺飞轮本体理想动力学模型的正确性。其次,针对陀螺飞轮实现中必然存在非理想因素影响和倾侧转子动力学特性复杂的问题,综合利用牛顿欧拉法、拉格朗日法、达朗贝尔原理,分别建立了陀螺飞轮存在正交支撑不垂直、不共面以及转子质心偏移等非理想因素的数学描述,并在此基础上,分析了各主要非理想因素对转子动力学特性的影响。进一步,利用陀螺进动理论,揭示了陀螺飞轮大角度进动倾侧过程中产生的非线性耦合机理,并通过力学分析,揭示了陀螺飞轮对航天器两轴姿态角速度的敏感特性。再次,针对陀螺飞轮实现航天器姿态角速度的测量方案问题,考虑到陀螺飞轮动力学方程具有多变量约束、强非线性的特点,利用差分演化算法完成了复杂陀螺飞轮动力学方程的合理简化。利用简化后的动力学方程,结合直接微分法,建立灵敏度方程,对航天器姿态角速度灵敏度的进行了数值分析。依据灵敏度分析结论,建立了姿态角速度静态测量方程,并提出了基于分时复用策略的姿态角速度静态测量方案。为使陀螺飞轮的测量与执行功能可同时实现,进一步基于动量交换原理,提出了姿态角速度动态测量方程,并论证了所提动态测量方程的非线性可观性。然后,针对陀螺飞轮实现航天器姿态角速度静态测量的误差补偿及应用问题,分析了系统误差对姿态角速度静态测量精度的影响,并结合误差传播分析,给出了各传感器测量精度需求。在此基础上,对姿态角速度静态测量方程的系统误差补偿进行了分析,并分别利用速率法、多位置法对静态测量方程中不同的系统参数实现了分类标定。为在实现姿态角速度静态测量的基础上,充分发挥陀螺飞轮三轴力矩输出功能,基于冲量等效原理和力矩指令规划,提出了陀螺飞轮测量功能与执行功能分时复用设计,给出了分时时间约束,保证了在单位采样时间区间内,陀螺飞轮可实现两轴姿态角速度测量和三轴力矩输出功能。最后,针对陀螺飞轮倾侧运动过程中实现航天器姿态角速度测量的问题,分析了动态测量方程中所存在的系统模型误差,并利用蒙特卡罗法,对动态测量方程中传感器测量噪声的影响进行了仿真分析。在误差分析基础上,基于中心差分理论,对传统的非线性预测滤波方法进行改进,提出了一种改进非线性预测滤波方法,并结合动态测量方程特点,将所提出的滤波方法应用于姿态角速度动态测量中,抑制了系统模型误差和传感器测量噪声影响,并实现了在陀螺飞轮倾侧运动状态的航天器姿态角速度实时估计。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V448.2
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 国内外研究现状及分析
        1.2.1 陀螺飞轮研究现状及分析
        1.2.2 基于标定补偿的航天器姿态静态测量方法
        1.2.3 基于状态估计的航天器姿态动态测量方法
        1.2.4 目前研究存在的主要问题
    1.3 论文主要研究内容及章节安排
第2章 陀螺飞轮理想模型的建立
    2.1 引言
    2.2 陀螺飞轮组成及工作原理
        2.2.1 陀螺飞轮基本组成
        2.2.2 陀螺飞轮工作原理
    2.3 坐标系定义及其转换关系
        2.3.1 相关坐标系的定义
        2.3.2 各坐标系间的相互转换
    2.4 陀螺飞轮理想模型的建立
        2.4.1 陀螺飞轮运动学方程
        2.4.2 陀螺飞轮本体理想动力学模型的建立
        2.4.3 陀螺飞轮系统模型的建立
    2.5 陀螺飞轮理想模型的仿真验证
        2.5.1 基于SimMechanics的陀螺飞轮仿真平台搭建
        2.5.2 陀螺飞轮理想模型仿真验证
    2.6 本章小结
第3章 陀螺飞轮动力学特性分析
    3.1 引言
    3.2 陀螺飞轮主要非理想因素影响分析
        3.2.1 力矩器失配角
        3.2.2 正交支撑不垂直
        3.2.3 正交支撑不共面
        3.2.4 转子质心偏移
    3.3 陀螺飞轮动力学特性分析
        3.3.1 陀螺飞轮进动特性
        3.3.2 陀螺飞轮敏感轴响应特性
    3.4 仿真及实验验证
        3.4.1 陀螺飞轮进动特性仿真及实验验证
        3.4.2 陀螺飞轮多频振动特性仿真及实验验证
        3.4.3 陀螺飞轮敏感轴响应特性仿真及实验验证
    3.5 本章小结
第4章 航天器姿态角速度测量方案的确定
    4.1 引言
    4.2 基于差分演化算法的陀螺飞轮动力学方程简化
        4.2.1 差分演化算法
        4.2.2 陀螺飞轮动力学方程简化
    4.3 航天器姿态角速度静态测量方案
        4.3.1 姿态角速度灵敏度分析
        4.3.2 姿态角速度静态测量方程的建立
        4.3.3 基于分时复用策略的姿态角速度静态测量方案
    4.4 航天器姿态角速度动态测量方案
        4.4.1 航天器姿态角速度动态测量方程的建立
        4.4.2 姿态角速度非线性可观性分析
    4.5 本章小结
第5章 基于标定补偿的航天器姿态角速度静态测量方法
    5.1 引言
    5.2 航天器姿态角速度静态测量误差分析
        5.2.1 主要非理想因素引起的测量误差分析
        5.2.2 测量噪声引起的误差分析
    5.3 航天器姿态角速度静态测量误差标定补偿
        5.3.1 姿态角速度静态测量误差补偿分析
        5.3.2 航天器姿态角速度静态测量误差补偿
    5.4 陀螺飞轮测量与执行功能分时复用设计
        5.4.1 测量与执行功能分时复用设计
        5.4.2 陀螺飞轮分时复用应用的仿真验证
    5.5 仿真及实验验证
        5.5.1 姿态角速度静态测量误差补偿的仿真验证
        5.5.2 姿态角速度静态测量误差补偿的实验验证
    5.6 本章小结
第6章 基于非线性预测滤波的航天器姿态角速度动态测量方法
    6.1 引言
    6.2 航天器姿态角速度动态测量方程误差分析
        6.2.1 系统模型误差分析
        6.2.2 传感器测量误差分析
        6.2.3 仿真分析
    6.3 基于中心差分理论的改进非线性预测滤波方法
        6.3.1 中心差分理论
        6.3.2 非线性预测滤波方法
        6.3.3 基于中心差分理论的改进非线性预测滤波方法
    6.4 基于改进非线性预测滤波的航天器姿态角速度动态测量
        6.4.1 姿态角速度动态测量误差补偿分析
        6.4.2 基于改进非线性预测滤波的姿态角速度动态测量实现
        6.4.3 仿真验证
    6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历

【参考文献】

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本文编号：2838850