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航空学报 2006年第3期27卷 390-394页

作者：黄琳荆武兴哈尔滨工业大学航天工程系黑龙江哈尔滨150001

讨论了稳态剩磁对地磁姿态确定与控制系统的性能的影响。对某些卫星来说,星上的直流电设备单元会产生一个支配性的稳定磁场。文中提出一个姿态确定滤波器对剩磁场的影响进行了估计,然后从剩磁矩指向、大小及伸杆长度3方面分析了剩磁干... 详细信息

讨论了稳态剩磁对地磁姿态确定与控制系统的性能的影响。对某些卫星来说,星上的直流电设备单元会产生一个支配性的稳定磁场。文中提出一个姿态确定滤波器对剩磁场的影响进行了估计,然后从剩磁矩指向、大小及伸杆长度3方面分析了剩磁干扰力矩对姿态控制精度的影响。通过计算机仿真发现:该滤波器能有效消除剩磁场对姿态确定的影响;不同指向的剩磁矩令三轴控制精度出现较大的起伏,而不断增大的剩磁量则使控制偏差呈正比例增大,伸杆长度的影响却很微小。

关键词：剩磁姿态确定与控制计算机仿真小卫星

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微小卫星姿态确定与控制及其半实物仿真

微小卫星姿态确定与控制及其半实物仿真

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作者：梅昌明国防科学技术大学

学位级别：硕士

微小卫星作为当前航天领域的研究热点,极大地受到了外形尺寸、整星功耗、数据存储量、研制经费等因素的限制。姿态控制系统是微小卫星的核心系统,其设计将不同于传统卫星。本文结合某微小卫星姿态控制系统设计,对微小卫星姿态确定和姿... 详细信息

微小卫星作为当前航天领域的研究热点,极大地受到了外形尺寸、整星功耗、数据存储量、研制经费等因素的限制。姿态控制系统是微小卫星的核心系统,其设计将不同于传统卫星。本文结合某微小卫星姿态控制系统设计,对微小卫星姿态确定和姿态控制算法进行研究,并通过快速原型化的方式实现对所设计算法的半实物仿真验证,具有较高的理论研究和工程应用价值。主要研究工作总结如下:(1)研究了微小卫星姿态确定策略。针对陀螺、磁强计和太阳敏感器构成的微小卫星姿态测量系统,设计了四种状态估计姿态确定算法,包括基于EKF和UKF滤波的算法,以及在此基础上构建的基于联邦信息融合的EKF滤波算法和基于信息预处理的EKF滤波算法,通过对小初始状态偏差、大初始状态偏差、部分敏感器失效等情况下的姿态确定问题进行仿真分析,对比各种算法的性能,确定了不同情况下的姿态确定策略。(2)研究了微小卫星姿态控制策略。对微小卫星入轨后的速率阻尼、姿态捕获、三轴稳定和姿态机动四个阶段的姿态控制算法进行了研究,前三个阶段的主动执行器均为磁力矩器,而姿态机动执行器为微喷推力器。对速率阻尼阶段分别设计了B-dot、PID和两层控制算法,对姿态捕获阶段分别设计了PD、滑模变结构和两层控制算法,对三轴稳定阶段分别设计了通道解耦控制算法和LQR控制算法,其中,两层控制算法实现了等惯量微小卫星的纯磁控制;对姿态机动阶段,基于姿态路径规划,分别设计了PD和滑模变结构姿态机动控制算法。通过对多种情况下的姿态控制问题进行仿真分析,对比了各阶段不同算法的性能,进而确定了微小卫星各姿态控制阶段的控制策略。(3)研究了基于快速原型化的微小卫星姿态控制半实物仿真系统。基于快速原型化思想,开发了姿态确定与控制模型的嵌入式目标代码,设计并构建了结合快速原型化姿态控制单机和基于RT-LAB实时仿真平台的半实物仿真系统,对所设计的姿态确定和姿态控制算法进行半实物仿真,验证了仿真系统的可行性和控制算法的有效性。综上,基于微小卫星有限的姿态测量器件与控制执行器件,论文研究了某微小卫星姿态确定策略、姿态控制策略,及基于快速原型化的半实物仿真。论文的研究成果可为我国其它微小卫星姿态控制系统的设计提供参考。

关键词：微小卫星姿态确定与控制快速原型化设计半实物仿真

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基于磁悬浮的卫星姿态确定与控制系统仿真平台设计

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北京力学会第二十二届学术年会

作者：神策陈培北京航空航天大学宇航学院

卫星姿态确定和控制是卫星实现其功能基础。从前苏联发射第一颗人造卫星以来,卫星姿态的测量、确定以及控制技术已经发展成为比较成熟的空间技术之一。姿态确定是姿态控制的前提,姿态确定的任务是利用卫星姿态敏感器测量得到的信息,经... 详细信息

卫星姿态确定和控制是卫星实现其功能基础。从前苏联发射第一颗人造卫星以来,卫星姿态的测量、确定以及控制技术已经发展成为比较成熟的空间技术之一。姿态确定是姿态控制的前提,姿态确定的任务是利用卫星姿态敏感器测量得到的信息,经过处理得到卫星本体坐标系相对于空间某参考坐标系中的姿态。姿态确定系统主要由姿态敏感器和姿态确定算法组成。应用比较成熟的敏感器有太阳敏感器、红外地平仪、星敏感器、磁强计和陀螺等,通常航天任务的姿态确定都是由几种姿态敏感器组合完成。卫星姿态控制的执行机构主要有推力器、飞轮和磁力矩器,其中,飞轮由于控制精度高、寿命长、使用灵活、运行稳定,是高稳定度的卫星姿态控制系统的主执行机构。随着我国航天事业的发展以及卫星应用的成熟,航天专业课程教学也逐步在各高校展开。作为航天飞行任务的基础,卫星姿态确定和控制方面的教学也成为了航天飞行器设计专业教学的基础内容。但是,传统的教学只是对姿态测量控制系统的基本概念和方法进行理论普及,导致学生无法深入细致的了解具体航天任务中姿态系统的运行过程、数据的处理方法以及姿态控制系统与卫星整体结构的协调工作状况,出现了理论与实践脱节、学习设计创新性缺失的状况。针对目前各高校在该领域教学实践环节的薄弱问题,为了进一步提升教学质量、提高学生实践创新能力,本文提出了一种基于磁悬浮的卫星姿态确定与控制系统仿真平台设计方法。本文设计的目的是为了利用地面平台复现太空环境中卫星真实的姿态测量与控制过程,以开展仿真验证、演示教学活动。与实际工作的卫星主要区别有以下几点:1.工作环境:本平台处于真空封闭环境中,不受太阳光压、粒子辐射、冷热交变等太空环境的影响。平台本身固定,除自身重力和平台浮力之外不存在其他外力及力矩作用,不需要考虑轨道设计及维持问题。2.主要结构:平台工作温度恒定,没有热控系统;平台固定,没有轨道测控系统;星体结构平台重力需要磁悬浮平台平衡,因此相比实际工作卫星需要对磁悬浮平台进行设计。为了模拟太阳光照环境,利用太阳敏感器进行姿态确定,平台将外置太阳模拟器。该平台的设计主要有以下关键问题:1.平台质心校准:磁悬浮平台由主台体和永磁体组成,主台体通电后产生磁力将永磁体浮起,卫星结构平台置于永磁体上。由于磁力作用的特殊性,需要保证永磁体与平面与主台体平面平行,这就要求卫星结构平台的质心要与永磁体的几何中心重合。因此在卫星结构平台的设计中预留出三个调平旋钮的安装位,根据卫星结构安装需求利用调平旋钮调节质心位置。2.消除空气阻力矩:在没有空气阻力作用的情况下,由磁悬浮平台维持的卫星结构体旋转能够一直持续下去,但在存在空气阻力矩的情况下,平台的旋转难以长久维持。而且,空气阻力矩的存在会对姿态控制精度产生影响。因此,平台设计将对整体结构进行密封抽真空,以最大限度降低空气阻力的影响,延长器件寿命。姿态测控平台系统由卫星结构平台、地面设备、辅助结构三大部分组成,各部分功能及组成如下:1.卫星结构平台:模拟真实卫星的结构组成设计,进行平台化布局。包括星载计算机、电源分系统、姿态分系统和测控分系统。星上电子分系统:卫星星上综合信息管理中心,维护整个平台的正常运行和各个分系统功能的实现,完成姿态测控数据的处理,对平台整体工作状态进行监控。电源分系统:包括太阳电池片和蓄电池组。在利用太阳模拟器提供外部能源的情况下,利用太阳电池片转化产生电能储存在蓄电池中,并能够维持卫星结构平台的正常运行。姿态分系统:平台结构的核心部分,完成卫星结构平台的姿态确定与控制。考虑到磁悬浮平台的特殊性,不能使用磁强计和磁力矩器,因此姿态测量采用"太阳敏感器+陀螺仪"的组合方式,确定平台单轴的旋转姿态;姿态控制采用"飞轮+推力器"的组合方式,实现平台旋转姿态控制。通信分系统:与地面设备进行通讯,完成地面遥控指令的接收和姿态数据的下传。2.地面设备:模拟地面监控站,接收卫星姿态数据,确定卫星姿态;发送遥控指令,对卫星姿态进行精确控制。3.辅助结构:为卫星结构平台的正常运行提供必要的外部条件,主要包括磁悬浮平台、真空罩和太阳模拟器。磁悬浮平台:抵消卫星平台自身重力,提供单轴的旋转自由度。真空罩:对平台进行密封抽真空,消除空气阻力的影响。太阳模拟器:模拟太阳光源,保证太阳敏感器和电源分系统的正常工作。本平台的工作流程完全按照在轨运行卫星的工作方式进行设计,星载计算机作为平台的控制中心和数据处理中心,负责整星的管理控制和数据处理,卫星姿态系统和电源系统的信息传送给星载计算机,经过处理后,星载计算机通过星地通信系统传输给地面设备,地面设备发送遥控指令调整卫星平台姿态。本文卫星姿态确定与控制系统仿真平台设计的目的是为了适应实践教学的需求,通过将姿态测控系统工作原理的理论与实际设计过程的结合,达到提高学生创新性和实践能力的目的。因此,平台的应用主要面向仿真验证及

关键词：磁悬浮姿态确定与控制平台设计教学创新

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