三轴稳定卫星姿态确定及控制系统的研究

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1、西北工业大学硕士学位论文三轴稳定卫星姿态确定及控制系统的研究姓名：杨锋申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：高晓光20060301中文摘要摘要本文以某一具体卫星为研究对象，较为系统地研究了三轴稳定卫星的姿态控制系统，并在姿态确定算法、控制规律设计方面进行了较深入的研究。文章的主要工作如下：·卫星建模研究：较全面、系统地总结了各种姿态描述法、包括它们的定义、计算法则、运动学方程、换算关系及优缺点。基于四元数和欧拉角建立了完整的卫星姿态运动模型。●姿态确定系统的研究：基于某气象卫星，具体设计了“

2、红外地平仪+太阳敏感器+磁强计”无陀螺模式的姿态确定系统，包括敏感器的配置、算法建模和理论分析、仿真验证等。●基于“星敏感器+光纤陀螺”组合定姿滤波算法的研究：提出了基于滤波算法的星敏感器和光纤陀螺组合的方案，并采用推广卡尔曼滤波进行信息融合，仿真结果表明：即使采用中等精度的陀螺组件，也可以实现高精度定姿。●姿态控制系统的研究：对于三轴稳定卫星的姿态控制系统有多种方案，如喷气控制，飞轮控制等。本文针对零动量飞轮，基于经典控制论设计了PID反馈线性化控制律，并分析了其稳定性和鲁棒性；针对偏置动量轮

3、系统，基于经典控制论设计了俯仰通道的PID控制律和滚动一偏航通道的非最小相位控制律。论文的主要贡献：对低成本小卫星，采用无陀螺的姿态确定算法，能够达到精度要求；提出的星敏感器和光纤陀螺组合定姿算法，通过仿真，能够是达到高精度的要求；对于零动量轮控方案，提出一种改进的PID控制规律，通过仿真，有更好的效果。关键词：三轴稳定卫星，姿态确定和控制系统，卡尔曼滤波，光纤陀螺，挠性附件，飞轮执行机构ABST^CTABSTI矾CTInthisdissertation．Wetakeaspecificmeteo

4、rologicalsatelliteasanexample，studysystematicallytheartitudecontrolsystemforathree—axisstabilizedsatellite，includingtheattitudedeterminationalgorithms，attirudecontrollaws．ThemainworkisasfollOWS：●SatelliteModeling：Firstly．avarietyofattituderepresentat

5、ionmethodsaregeneralizedandanalyzed，includingtheirdefinitions，rulesofcalculation，kinematics，meritsanddisadvantages．Thentheattitudekinematicsanddynamicmodelsaboutarigid／flexiblesate]litearedevelopedemployingQuaternionandEuler—Anglesrepresentations．●At

6、titudeDeterminationSubsystem：ThispartdesignsindetailanattitudedeterminationsubsystemusingextendedKalmanfiIterforaspecificsateIliteequippedwithinfra—redearthsensorsandsolasensorsandmagnetometer，includingsensorallocation，algorithmmodeling，simulationeva

7、luation，andsoon．●AnFilteringAIgorithmforSatelliteAttitudeDeterminationBasedonStar—sensorandFOGCombination：WepresentafiIteringalgorithmforhighprecisionattitudedeterminationofaspecificsatellite．andsetupthemodelofthesatelliteattitudedeterminationbyusing

8、quaternion．Ouralgorithmisbasedonstarsensorsandfiberopticgyroscopes(FOg)，andutilizesextendedKalmanfilteringformodifyingestimationerrorofattitudeofasatelliteandestimationerrorofgyroscopedriftandinformationfusion．Thesimulationresultshowsthatthisalgorith