计及天线动态过程的挠性卫星姿态动力学与控制

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1、-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景随着人类对自然资源的需求日益增加，对自然资源的勘探手段也日益丰富。由于许多的资源都沉睡在人类尚未涉足的区域，这就给传统的实地勘探考察带来了很多障碍。而地球资源卫星的出现很好的解决了资源勘探的问题，成为当今世界上最为有效的勘探手段。因为居高临下，所以它可以方便地观测矿藏资源，还可以观测农作物长势、森林渔业的分布情况以及污染的程度等。使用资源卫星的数据可以绘制成特种地图定位矿藏资源，具有大范围、快速、综合等优点。地球资源卫星也因此被世界各国所重视。美国

2、自1972年自7月23日成功发射了世界第一颗资源卫星“陆地卫星”1号（Landset-A）以来,先后共发射了7颗该系列的卫星。其中1、2、3号分辩率仅为80米，属于试验卫星。Landset-A确认了巴基斯坦某地有两处斑岩铜矿；纠正了西藏塔克错湖的实际面积；发现了日本大阪湾海面的严重污染等，[1]这一系列事实充分显示了资源卫星的使用价值。美国又分别于1982年7月、1984年3月、1999年4月发射了“陆地卫星”4、5、7号，其分辨率提高到15至30米。2005年4月四川地帮集团曾签约租用“陆地卫星”7号

3、，对宝兴县东拉山景区进行景点和路线的勘探。可见地球资源卫星应用的需求量非常之大。法国资源卫星SPOT-1发射于1986年，其后法国又陆续发射了5颗资 源卫星，分辩率已达10米，[2]技术水平已经和美国平分秋色。在资源卫星的研究方面，发展中国家也取得了巨大成就。1999年10月14日，“中巴地球资源卫星”1号发射成功，迄今已经在黄河三角洲可持续发展、珠江三角洲城镇体系变迁、辽东区域环境监测、济南地区水资源调查和农业需水量估算、西藏地区森林调查等方面提供大量有参考价值的图像。“中巴地球资源卫星”2号于200

4、3年发射，“中巴地球资源卫星”3号和4号方案论证也已经完成。[3][4]但是由于我国的资源卫星起步较晚，技术水平还有待提高。由于对地观测卫星在飞行任务中，其有效载荷要求高精度高稳定性，这就使得卫星正常轨道姿态控制面对天线运动及挠性附件振动影响下系统性能-1----哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的保障问题非常的重要。一般对地观测卫星的三轴定向精度要求达到0.10以下，姿态稳定一般要求小于10−3（0/s）。如美国的Landset-D卫星，其有效载荷主体测绘仪（TM）用固态探测器产生的地球图像数据及数字化处

5、理后，由Ku波段的天线实时传送到地球同步轨道上的跟踪和数据中继星（TDRS），由中继星将数据发回地面站。该卫星天线高度4.57米，质量1.1公斤，太阳帆板面积1.93m×8.23m，质量22.7公斤，卫星定向角度精 度要求小于0.010，姿态稳定度要求小于0.006（0/s）。[1][2]所以在计及天线动态过程的挠性卫星动力学建模及姿态控制系统设计，成为目前较受关注的焦点问题之一。本文以对地观测卫星为背景，以863计划中某星的数据来研究在计及天线动态过程时，对带有天线及挠性附件的卫星进行动力学建模及其正

6、常姿态控制问题的研究和论证。1.2相关技术的发展和现状卫星姿态动力学与控制这门学科已经日趋成熟，从基础理论到工程实践已经取得了巨大进步，完成了大量的高质量的空间任务。而随着卫星功能的多样化进程，对航天技术需求及技术发展提出了新的挑战，从而推动了卫星姿态动力学和控制技术的进步。下面简要介绍一下这两方面的国内外发展情况。1.2.1挠性卫星姿态动力学建模方法准确恰当的卫星姿态动力学模型是卫星实现姿态控制并获得要求性能的必要条件。随着近几十年来的对卫星姿态动力学建模方法的不断广泛深入研究，人类已经取得了十分巨大

7、的成就。首先发展起来的是多刚体系统动力学。在1963年，H.J.Fletcher就使用向量力学中的Newton-Euler法，研究了两个刚体组成的系统动力学问题。1965年W.W.Hooker和G.Margulies又将该问题扩展到n个刚体的情形。1968年R.E.Roberson和J.W.Wittenburg又把图论中的概念和关联矩阵、通路矩阵等数学工具创造性地应用于刚体系统地描述和建模之中。[6]随着卫星结构的日益复杂，多柔体系统动力学应运而生。事实上，卫星在挠性附件展开之后，卫星大多呈现一种簇状拓

8、扑结构，也就是说由一个刚性较强的中心体和一系列挠性的附件共同组成的结构。[7]这些挠性附件都直-2----哈尔滨工业大学工学硕士学位论文接与卫星主体相连。70年初期，P.W.Linkins对挠性卫星动力学的问题作了最早期的研究。Ho.Bland对挠性卫星动力学早期的研究也做出了大量的贡献。90年以来，Meirovitch提出了用拟坐标欧拉法来建立挠性飞行器姿态动力学模型。[5]在我国，洪嘉振等在1992年利用Jourdain变分原理建立了一