卫星姿态快速机动稳定控制技术研究

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1、硕士学位论文卫星姿态快速机动稳定控制技术研究RESEARCHONRAPIDATTITUDEMANEUVERANDSTABILIZATIONCONTROLMETHODFORSTATELLITES王玉浩哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：681.58密级：公开工程硕士学位论文卫星姿态快速机动稳定控制技术研究硕士研究生：王玉浩导师：马广程教授申请学位：工程硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制科学与工程系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Clas

2、sifiedIndex:V448.2U.D.C:681.58DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONRAPIDATTITUDEMANEUVERANDSTABILIZATIONCONTROLMETHODFORSTATELLITESCandidate：WangYuhaoSupervisor：Prof.MaGuangchengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ControlScie

3、nceandEngineeringAffiliation：Dept.ofControlScienceandEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航天任务复杂化，对卫星的敏捷性提出了更高的要求，尤其是卫星的大角度机动稳定能力，对于在轨卫星具有重要意义。单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）是有效的角动量交换装置，相对于飞轮系统，同等质量下能够提供更大力矩，相对于喷气装

4、置，消耗电能延长了卫星在轨寿命，SGCMGs作为一种重要的姿态调整执行机构越来越受重视。本文围绕卫星姿态的快速机动稳定控制方法，选取SGCMGs作为姿态调整的执行机构，规划卫星快速机动稳定路径，设计姿态跟踪控制器对机动稳定路径进行跟踪，最后仿真验证整个姿态控制方案。本文首先介绍了国内外敏捷卫星发展状况，分析了几款典型在轨型号卫星，总结并介绍了当前主流卫星姿态调整执行机构，以及国内外卫星姿态机动稳定控制算法。然后介绍了在轨卫星常用的参考坐标系和卫星参数描述方法，建立了卫星姿态运动学方程和动力学方程。其次，研究了SG

5、CMGs的奇异性和带零运动鲁棒伪逆操纵律设计问题。首先介绍了SGCMGs的基本工作原理和常用构形，深入分析了SGCMGs奇异性问题，并进行奇异可视化处理，确定了SGCMGs奇异性的度量，在此基础上，设计了鲁棒伪逆操纵律和带零运动的鲁棒伪逆操纵律，并进行了仿真验证。再次，研究了卫星姿态大角度机动稳定的路径规划问题，即卫星姿态导引律的设计问题。考虑卫星姿态机动稳定多个约束条件，将该问题化简为最优控制问题，基于多项式逼近和数值积分逼近离散化技术，进而将上述问题转化为非线性路径规划问题，给出了基于Hp伪谱法的求解卫星姿态

6、导引律的具体方法，仿真结果表明该方法能够有效避免机动稳定过程中SGCMGs的奇异性，并实现初末状态不为零的机动稳定。最后，研究了卫星做大角度姿态机动稳定的姿态控制方案，为此首先给出了采用SGCMGs为执行机构并带有路径规划的控制流程，建立了基于误差四元数和误差角速度的卫星运动学和动力学方程，然后分别设计了经典的PD控制器和滑模变结构控制器，实现对机动稳定路径进行精确跟踪。并进行了仿真验证。关键词：机动稳定；伪谱法；控制力矩陀螺；变结构控制-I-AbstractAbstractThecomplexityofspac

7、emissionsrequireshigheragileperformanceofsatellites;especially,thesatellite'slargeanglemaneuverandrapidstabilizationisofgreatsignificanceforasatelliteinorbit.Asanexcellentandeffectivedeviceofangularmomentumexchange,SingleGimbalControlMomentumGyroscope(SGCMGs)

8、hastheabilitytoprovidelargertorquewiththesameweightofreactionwheel;meanwhile,itselectricityconsumptionalsoextendsthelifespanofthesatelliteinorbitcomparedwiththrusters.Therefore,SGCMGshasd