双体卫星快速姿态机动控制研究

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1、硕士学位论文双体卫星快速姿态机动控制研究ATTITUDEMANEUVERCONTROLFORTHEDISTURBANCE-FREEPAYLOADSPACECRAFT周雅兰哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工程硕士学位论文双体卫星快速姿态机动控制研究硕士研究生：周雅兰导师：李传江教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.7Dissertationforth

2、eMasterDegreeinEngineeringATTITUDEMANEUVERCONTROLFORTHEDISTURBANCE-FREEPAYLOADSPACECRAFTCandidate：ZHOUYalanSupervisor：Prof.LIChuanjiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-

3、Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文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

4、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

5、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

6、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。关键词：双体卫星；姿态机动；相对位置控制；输入受限-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractSpacescienceisoneofthehottopicsaboutnaturalscience.Therealizationofspacescie

7、ncemissionsrequirestheeffectivepayloadswhichareinstalledonthescientificsatellites.Thehighprecisionandhighstabilityofthepayloadareneededtogethighqualityspatialprobedata.Atpresent,energysystemsofsatellitesstillincludeflexiblecomponentssuchassolarpanels,whichcausethevibration,greatly

8、affectingtheaccuracyofthepayloads