卫星活动载荷残余力矩高精度辨识技术

作     者：李泽宁 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马广程

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：残余力矩 三轴气浮台 转动惯量辨识 全物理仿真 

摘      要：随着航天任务的复杂化,卫星上载荷结构也日益复杂,活动载荷在工作过程中会产生残余力矩,影响卫星控制精度,进而影响卫星姿态的稳定性。如若能够测量出载荷的残余力矩大小,则在设计卫星的控制算法时,可以引入残余力矩进行分析,进而减小残余力矩对卫星姿态的影响。在这种背景下,本文针对活动载荷工作时产生残余力矩影响卫星姿态的问题,研究了残余力矩地面高精度辨识技术,分析了残余力矩地面辨识算法,建立了残余力矩地面辨识系统,研究了卫星在轨运动时残余力矩的辨识算法,为活动载荷产生的残余力矩提供了有效的测量方法。本文首先研究了航天器姿态运动学模型,给出了三轴气浮台转动惯量辨识模型和残余力矩辨识模型,分析了地面全物理仿真中姿态数据的处理方法,为活动载荷残余力矩的地面辨识提供了数据支持。进一步研究了航天器轨道动力学模型,给出了航天器在轨残余力矩辨识模型,为残余力矩的在轨辨识提供了理论支撑。给出了详细的残余力矩测量方法,为后续算法的应用与实际系统的设计提供了参考依据。然后研究了三轴气浮台的转动惯量辨识算法,给出了基于最小二乘法和递推最小二乘法的转动惯量辨识算法,分析了三轴气浮台转动惯量辨识过程中激励信号的选取方法,给出了激励信号的频率范围和波形要求。研究了分步测量法用以测量残余力矩,给出了基于已辨识三轴气浮台数学模型的残余力矩分步测量算法。研究了联合辨识法用以测量残余力矩,给出基于渐消记忆法和梯度下降法的残余力矩与三轴气浮台转动惯量联合辨识算法,对比了不同算法对于残余力矩辨识精度和辨识速度的影响,从理论上分析了残余力矩辨识方法的可行性。接着设计了残余力矩地面辨识系统,给出了该系统的组成结构以及工作流程,设计了系统的软件方案,给出了系统的软件结构和实现方法。借助实际三轴气浮台全物理仿真系统,对残余力矩辨识算法进行了实际测试,分析了残余力矩测量算法的实际可行性与辨识精度,给出了残余力矩测量算法在卫星地面模拟系统中的效果分析。最后将残余力矩测量算法延伸至在对地定向的航天器中,分析了在轨运动的航天器控制系统模型,给出了航天器在轨运动的辨识模型,分析了航天器上活动载荷残余力矩辨识算法,给出了残余力矩辨识算法在航天器在轨运动工况下的应用方法。分析了航天器在轨运动过程中活动载荷残余力矩的可辨识性,给出了航天器转动惯量与残余力矩的可辨识条件,进一步扩展了残余力矩辨识算法的应用范围。