一种重力梯度小卫星实时姿态控制方法研究

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1、一种重力梯度小卫星实时姿态控制方法研究摘要：重力梯度卫星是一种利用重力梯度力矩来实现对地定向的卫星。其在达到重力梯度稳定之前还需要消旋、重力梯度捕获等过程，需要一定的主动控制。本文针对重力梯度小卫星的动力学特性在卫星本体坐标系下建立了数学模型。考虑到小卫星的质量和功耗限制，选取了功耗、质量较小的磁力矩器作为控制手段。依据当地的地磁场强度调整磁力矩器磁矩大小，从而产生相应的磁力矩对卫星进行主动控制。依此方法在Matlab/Simulink中建立模型进行仿真运算。在对仿真结果进行分析的基础上加入星载计算机实物进行半物理实时仿真。仿真结果表明，这

2、种控制方法可以满足重力梯度小卫星所需的主动控制要求。关键字：飞行器控制，重力梯度，半物理仿真，磁力矩器中图分类号：V488.222Real-timeAttitudeControlMethodForGravityGradientMicro-satelliteAbstract:Gravitygradientmicro-satelliteisakindofsatellitewhichpointtotheearthwithgravitygradientmoment.Beforethestabilityofgravitygradient,themic

3、ro-satelliteneedsactivecontroltocompletegravitygradientcapturinganddumpingoftheangularvelocity.Consideringthedynamicsofthegravitygradientmicro-satellite,amathematicalmodelofthemicro-satelliteinthebodyfixedframehasbeenmade.Themagnetictorqueischosenastheexecutorwhichhasasmal

4、lmassandneedslowpower.Themagnetictorqueisadjustedwiththelocalgeomagneticintensityandthemicro-satellitewillobtainactivecontroltorque.Accordingtotheresultofmathematicalsimulation,thereal-timeon-boardcomputerisusedinthehardware-in-loopsimulation.Theresultofsemi-physicalsimula

5、tionshowsthemethodissatisfiedtothegravitygradientmicro-satellite.Keywords:controlofspacecraft,gravitygradient,semi-physicalsimulation,magnetictorque0引言重力梯度卫星是利用空间的重力梯度实现姿态稳定的一类卫星。在理想情况下，卫星仅利用重力梯度力矩即可以实现姿态稳定，但由于存在轨道天平动、太阳光压力矩、气动力矩、剩磁力矩等干扰因素，卫星对地指向有很大的误差，需要加一定的控制和阻尼才能使卫星的控制精

6、度达到设计要求。本文在建立重力梯度卫星在轨姿态控制闭环的基础上，加入星载计算机实物，进行实时仿真，以确定控制方案的可行性。并对仿真结果进行了分析，提出了改进的方法。1卫星姿态控制系统数学模型如图1所示，卫星姿态控制系统包括卫星姿态动力学、运动学，控制模块，执行机构使用三轴磁力矩器，因此还包括地磁场模型及磁力矩器模型。控制系统直接从姿态运动学模块得到姿态信息。参考姿态地磁场模块磁力矩器模块干扰力矩姿态动力学、运动学姿态信息姿态敏感器图1姿态仿真系统结构Fig.1Thestructureofattitudesimulationsystem1.1

7、坐标系卫星的姿态计算需要涉及一定的坐标系，本模型所用坐标系为惯性坐标系、第二轨道坐标系和卫星本体坐标系。三个坐标系原点均在卫星几何中心。其中惯性坐标系三个轴指向空间一个固定的方向（例如初始方向）不变；第二轨道坐标系z轴指向地心，x轴与z轴垂直，沿卫星速度方向，y轴方向按右手法则确定；卫星本体坐标系在初始状态下和第二轨道坐标系重合，在仿真开始后随卫星本体运动，即它是固连在卫星上的。图2本体坐标示意图Fig.2Thebodyfixedframe图3轨道坐标系示意图Fig.3Theorbitfixedframe1.2重力梯度卫星姿态动力学为了不增

8、加建模的复杂性，暂不考虑卫星的柔性，即认为卫星是一个刚体。所用卫星姿态动力学方程如下：（此方程以卫星本体坐标系为参考系，原点在卫星质心。为卫星绝对角速度在卫星本体坐标系下的投影，