双体卫星对日定向姿态控制研究

摘要

随着空间观测任务的多样化和复杂化以及空间观测技术的不断发展，对日观测作为空间科学的重要任务之一受到广泛关注。高精度对日观测是提升人类对太阳认知的基础。而对日观测的实现需要卫星对日定向。因此，亟需开展高精度、高稳定度对日定向控制技术研究。但是传统卫星平台与载荷存在物理连接，难以从根本上消除振动对载荷的影响，严重制约了观测精度的提升。双体卫星由于采用了载荷、平台完全分离的物理结构，使得载荷免受平台振动的影响，为高精度、高稳定度空间观测奠定基础。本论文主要针对双体卫星对日定向问题，考虑执行机构安装偏差以及输出受限，开展双体卫星姿态机动和避碰控制研究。主要研究内容如下：
　　针对对日定向控制问题，首先建立对日基准坐标系，分析双体卫星结构特点和工作机理，分别从姿态和位置控制的需求出发，针对两舱的工作模式分别建立载荷舱主动对日机动姿态运动模型，以及平台舱姿态跟踪模型。根据轨道动力学建立两舱相对位置运动方程，并推导磁浮机构线圈与磁钢相对位置的数学表征及相对运动方程，结合载荷舱姿态运动模型，建立载荷舱位姿一体化动力学模型。
　　根据两舱工作机理分别设计两舱姿态控制律及避碰控制律。利用PD控制律实现载荷舱主动对日机动和平台舱姿态跟踪控制，避免磁浮机构碰撞的前提下完成高精度、高稳定度的对日定向机动。进一步地，为提高平台舱姿态跟踪动态性能，设计基于反步法的平台舱姿态跟踪控制律，补偿飞轮惯性常数。为提高两舱协同性能，设计变系数载荷舱姿态机动策略，显著缩短姿态机动时间。通过数学仿真验证控制算法的有效性。
　　针对磁浮机构输出力方向偏差和幅值受限问题，为实现载荷舱高精度对日机动，首先建立磁浮机构实际输出力模型，设计反步自适应控制策略，补偿未知磁浮机构安装偏差。针对磁浮机构输入受限问题，基于载荷舱位姿六自由度运动方程，利用双曲正切函数设计位姿一体化抗饱和控制器。为补偿外界干扰，设计干扰观测器提升对日指向精度。其次，设计基于零空间的抗饱和控制分配策略有效避免磁浮机构饱和，改善系统动态性能。最后通过数值仿真验证控制策略的有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文主要研究内容及章节安排

第2章 对日基准及双体卫星模型的建立

2.1引言

2.2对日基准坐标系的建立

2.3双体卫星结构及工作机理

2.4双体卫星姿态动力学与运动学

2.5双体卫星相对位置方程

2.6本章小结

第3章 双体卫星对日定向控制律设计

3.1引言

3.2基于PD控制的双体卫星对日定向

3.3考虑飞轮特性的平台舱姿态跟踪控制律设计

3.4载荷舱变系数PD控制律设计

3.5本章小结

第4章 考虑磁浮机构特性的双体卫星对日定向控制

4.1引言

4.2考虑磁浮机构输出力偏差的载荷舱对日定向控制

4.3考虑磁浮机构饱和的双体卫星对日定向控制

4.4本章小结

结论

参考文献

硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢