微小卫星姿态控制系统研究

发布时间：2017-04-13 06:24

  本文关键词：微小卫星姿态控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 从20世纪80年代美国军方提出了现代小卫星的概念以来,微小卫星发展迅速,成为目前航天器发展的一个重要方向。作为现代微小卫星的关键部分,现代微小卫星的姿态控制系统需具有结构简单、质量轻、可靠性高和低成本等特点。本文以某具体卫星的姿态控制系统的方案论证为背景,对微小卫星的姿态确定技术、主动磁控技术和姿控算法的硬件实现问题进行了研究。主要研究工作如下: 较全面、系统的总结了欧拉角和四元数两种卫星姿态描述方法,建立了完整的卫星姿态运动模型,并分析了卫星受到的各种环境力矩的数学模型。 姿态确定方面:对微小卫星的姿态敏感器的工作原理和测量方程进行了研究;基于确定性方法,讨论了TRIAD和QUEST两种双矢量定姿的具体算法,给出了一种利用地磁矢量和红外地平仪联合定姿的粗定姿算法;基于状态估计法,利用扩展卡尔曼滤波,设计了基于“红外地平仪+太阳敏感器+磁强计”的联合滤波定姿算法和基于磁强计的俯仰通道与滚动/偏航通道解耦的卡尔曼滤波定姿算法。通过仿真算例对各定姿算法的定姿精度和适用范围进行了验证。 主动磁控方面:介绍了执行机构磁力矩器的工作原理和磁控力矩的特点,讨论了磁矩生成和分配的两种方式;设计了卫星在初始速率阻尼阶段的磁控算法;针对偏置动量卫星的运动特性,对其俯仰通道和滚动/偏航通道分别设计了相应的磁控算法;由于偏置动量轮有可能会停转,工程中常将重力梯度杆作为一种备份执行机构,针对重力梯度稳定卫星,设计了基于欧拉角反馈和基于四元数反馈两种形式的PD磁控算法。仿真算例表明所设计的磁控算法是有效的。 最后对微小卫星姿控算法的FPGA实现进行了初步研究。以Altera公司的Stratix II系列的EP2S60F1024C4芯片作为目标器件,利用VHDL语言实现了偏置动量小卫星的双通道解耦的磁强计滤波定姿算法和相应的磁控算法,并利用Maltab/Simulink和Modelsim,构建了基于“Link for modelsim”的微小卫星姿态控制仿真系统,对实现的姿控算法进行了功能级仿真。结果表明,本文设计的姿控算法的FPGA实现在功能级是正确的。
【关键词】：微小卫星 姿控系统 姿态确定 卡尔曼滤波 主动磁控 FPGA VHDL
【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】：2007
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 课题背景及研究目的和意义13-14
• 1.2 微小卫星姿态控制系统概述14-19
• 1.2.1 微小卫星姿控系统的组成与发展14-16
• 1.2.2 卫星姿态确定与主动磁控算法的研究现状16-18
• 1.2.3 微小卫星姿控系统的硬件实现问题18-19
• 1.3 论文主要工作及章节安排19-21
• 第二章 卫星姿态描述及运动模型21-32
• 2.1 卫星参考坐标系的定义及坐标转换21-24
• 2.1.1 参考坐标系的定义21-22
• 2.1.2 坐标转换22-24
• 2.2 卫星姿态描述和运动学方程24-29
• 2.2.1 卫星姿态的欧拉角描述及运动学方程24-25
• 2.2.2 卫星姿态的四元数描述及运动学方程25-28
• 2.2.3 欧拉角与四元数的转换关系28-29
• 2.3 卫星姿态动力学方程29
• 2.4 空间环境力矩29-31
• 2.4.1 太阳光压力矩30
• 2.4.2 剩磁干扰力矩30
• 2.4.3 重力梯度力矩30-31
• 2.4.4 气动力矩31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 微小卫星姿态确定技术研究32-58
• 3.1 姿态敏感器32-36
• 3.1.1 静态红外地平仪32-33
• 3.1.2 太阳敏感器33-35
• 3.1.3 三轴磁强计35-36
• 3.2 卫星姿态确定的确定性方法36-40
• 3.2.1 “红外地平仪+磁强计”定姿36
• 3.2.2 “太阳敏感器+磁强计”双矢量定姿36-38
• 3.2.3 仿真算例及分析38-40
• 3.3 “红外地平仪+太阳敏感器+磁强计”扩展卡尔曼滤波定姿算法40-51
• 3.3.1 滤波状态方程的建立与分析40-42
• 3.3.2 滤波观测方程的建立与分析42-44
• 3.3.3 卡尔曼滤波定姿算法44-46
• 3.3.4 仿真算例及分析46-51
• 3.4 双通道解耦的磁强计滤波定姿算法51-56
• 3.4.1 卫星数学模型的简化51
• 3.4.2 卡尔曼滤波器设计51-54
• 3.4.3 滤波增益矩阵的周期性分析54-55
• 3.4.4 仿真算例及分析55-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第四章 微小卫星主动磁控技术研究58-76
• 4.1 执行机构58-60
• 4.1.1 磁力矩器58-59
• 4.1.2 磁矩的生成和分配方法59-60
• 4.2 速率阻尼阶段磁控律设计60-62
• 4.2.1 速率阻尼磁控律60-61
• 4.2.2 仿真算例与分析61-62
• 4.3 偏置动量小卫星主动磁控算法62-70
• 4.3.1 偏置动量卫星的自由运动特点62-63
• 4.3.2 俯仰通道磁控算法63-64
• 4.3.3 滚动/偏航通道磁控算法64-68
• 4.3.4 仿真算例及分析68-70
• 4.4 重力梯度稳定小卫星主动磁控算法70-75
• 4.4.1 基于欧拉角反馈的磁控律分析与设计70-71
• 4.4.2 基于四元数反馈的磁控律分析与设计71-73
• 4.4.3 仿真算例与分析73-75
• 4.5 本章小结75-76
• 第五章 微小卫星姿控算法的FPGA 实现76-100
• 5.1 数值的表示及运算76-79
• 5.1.1 数的定点表示形式(fixed-point)76-78
• 5.1.2 数的浮点表示形式(float-point)78-79
• 5.2 微小卫星姿控算法的VHDL 实现79-91
• 5.2.1 主要数据的定点表示形式79-80
• 5.2.2 姿控算法的模块划分与分时复用80-87
• 5.2.3 流水线操作与并行计算87-88
• 5.2.4 模块整合与时序设置88-91
• 5.3 功能级仿真91-99
• 5.3.1 Link for Modelsim 接口简介91-92
• 5.3.2 基于Link for Modelsim 的微小卫星姿态控制仿真系统92-98
• 5.3.3 仿真算例及分析98-99
• 5.4 本章小结99-100
• 第六章 总结与展望100-102
• 6.1 本文主要研究工作100-101
• 6.2 进一步的研究工作101-102
• 参考文献102-106
• 致谢106-107
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文107

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 郝东;绳涛;陈小前;;三轴磁强计测量误差修正方法[J];航天器环境工程;2011年05期

2 丁玉叶;兰盛昌;华伊;李梦立;潘瑞;徐国栋;;小卫星PD姿态控制器IP核的FPGA实现[J];哈尔滨工业大学学报;2012年09期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 陈霞;反作用飞轮非理想电磁力矩抑制及其测量方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

2 王晓明;特定功能结构的拓扑优化[D];大连理工大学;2010年

3 任迪;三轴气浮台气体球轴承静态特性及涡流力矩的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 李爽;偏置动量重力梯度卫星主动段磁控技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 郝东;微小卫星姿态确定与磁控技术研究[D];国防科学技术大学;2011年

3 沈国权;面向微小卫星的地球敏感器的设计和实现[D];浙江大学;2012年

4 郭振东;应用于微小卫星的地球敏感器设计与优化[D];浙江大学;2013年

  本文关键词：微小卫星姿态控制系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：303007