卫星姿态控制及地面仿真实现方法研究

发布时间：2017-05-27 12:08

  本文关键词：卫星姿态控制及地面仿真实现方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着航天事业的高速发展，卫星结构不断趋于复杂化，卫星对其控制系统的可靠性、稳定性和精确度的要求日益严格，对其性能的要求越来越高。挠性附件的存在复杂化了卫星的结构，增加了其控制的难度，卫星的不断复杂同时给卫星系统的地面仿真工作带来了困难，因此需要研究更加可靠的地面仿真试验方法及设备，保证卫星系统软硬件在入轨之前的正确性及可靠性。本文针对带有两个太阳能帆板的挠性卫星系统，设计了滑模变结构姿态控制律，研究了针对卫星姿态控制的地面全物理仿真方法及设备，并对所设计的卫星姿态地面全物理仿真系统进行了可信度分析。 本文首先介绍了卫星姿态控制及其地面仿真方法在国内外的研究及发展现状，建立了基于欧拉角及四元数的卫星姿态运动学方程，同时建立了刚体卫星姿态动力学模型及带两个太阳能帆板的挠性卫星姿态动力学方程。 其次，针对带两个太阳能帆板的挠性卫星系统，设计了滑模变结构控制律，对所设计的滑模变结构姿态控制系统进行数学仿真，并将其与经典PD姿态控制数学仿真结果进行对比分析，验证了滑模变结构控制律在挠性卫星姿态控制方面的相对优越性。 再次，研究卫星姿态地面全物理仿真试验方法，，本文设计了以三轴气浮台为核心的全物理仿真试验方案，并对所设计地面全物理仿真系统进行了系统介绍。同时针对仿真系统重要的台上姿态控制子系统进行了深入的分析和全面的介绍。在现有条件约束下，本文搭建硬件在回路卫星姿态控制桌面系统并进行实时仿真实验，并将实验结果与数学仿真结果进行对比，验证了所设计的控制算法以及整个姿控回路的正确性和有效性。 最后，对所设计的地面全物理仿真系统进行可信度分析，采用相似度定量计算理论，将其与本文的全物理仿真系统相结合，设计了相应的全物理仿真试验，同时结合实际卫星在轨试验数据，给出所设计的卫星姿态全物理仿真系统可信度的计算方法。
【关键词】：挠性卫星 姿态控制 滑模变结构 全物理仿真 可信度分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义9-10
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题研究的背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及分析10-15
• 1.2.1 卫星姿态控制国内外研究现状及分析10-13
• 1.2.2 仿真技术国内外研究现状及分析13-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-17
• 第2章 卫星姿态运动学和动力学建模17-29
• 2.1 引言17
• 2.2 卫星姿态数学描述17-21
• 2.2.1 相关坐标系的定义17-18
• 2.2.2 欧拉角法18-19
• 2.2.3 四元数法19-20
• 2.2.4 欧拉角与四元数之间的关系20-21
• 2.3 卫星姿态运动学方程建立21-23
• 2.3.1 基于欧拉角的姿态运动学方程21-22
• 2.3.2 基于四元数的姿态运动学方程22-23
• 2.4 卫星姿态动力学方程建立23-27
• 2.4.1 刚体卫星姿态动力学方程23-24
• 2.4.2 卫星挠性附件模态分析24-25
• 2.4.3 挠性卫星姿态动力学方程25-27
• 2.5 本章小结27-29
• 第3章 挠性卫星滑模变结构姿态控制研究29-46
• 3.1 引言29
• 3.2 滑模变结构控制基本原理29-32
• 3.2.1 滑模变结构控制的定义29-30
• 3.2.2 滑动模态的存在及到达条件30
• 3.2.3 等效控制原理30-31
• 3.2.4 滑动模态的不变性31-32
• 3.2.5 滑模变结构控制稳定性分析32
• 3.3 挠性卫星滑模变结构姿态控制器的设计32-37
• 3.3.1 挠性卫星姿态控制系统问题描述32-33
• 3.3.2 挠性卫星姿态控制系统控制目标33-34
• 3.3.3 滑模变结构控制律的设计34-37
• 3.4 挠性卫星姿态控制系统数学仿真分析37-45
• 3.4.1 挠性卫星经典 PD 姿态控制系统数学仿真38-40
• 3.4.2 挠性卫星滑模变结构姿态控制系统数学仿真40-44
• 3.4.3 数学仿真结果分析44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 卫星姿态地面全物理仿真实现方法研究46-65
• 4.1 引言46
• 4.2 卫星姿态地面全物理仿真实现总体方案46-54
• 4.2.1 台上遥测姿控管理子系统方案设计49-51
• 4.2.2 台下地面综合监控子系统方案设计51-54
• 4.3 XPC TARGET 实时控制系统54-57
• 4.3.1 xPC 实时内核简介55-56
• 4.3.2 xPC 控制器硬件构成56-57
• 4.4 硬件在回路卫星姿态控制系统实现57-64
• 4.4.1 反作用飞轮模型设计58-59
• 4.4.2 陀螺仪模型设计59-60
• 4.4.3 实时仿真60-64
• 4.4.4 实时仿真结果分析64
• 4.5 本章小结64-65
• 第5章 卫星姿态全物理仿真系统可信度分析65-73
• 5.1 引言65
• 5.2 仿真系统相似度分析方法65-67
• 5.2.1 系统相似度定义65
• 5.2.2 确定相似元的权系数65-67
• 5.2.3 确定相似元的值67
• 5.3 卫星姿态全物理仿真结果的可信度分析67-72
• 5.3.1 全物理仿真系统单自由度相似度计算69-71
• 5.3.2 全物理仿真系统整体相似度计算71-72
• 5.4 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果78-80
• 致谢80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王梓,戈新生;基于最优控制的刚体航天器姿态控制研究[J];北京机械工业学院学报;2002年03期

2 王岩;唐强;陈兴林;;挠性卫星姿态快速稳定智能控制[J];北京科技大学学报;2012年01期

3 王子才;仿真技术发展及应用[J];中国工程科学;2003年02期

4 杨智;自整定 PID 调节器设计方法[J];甘肃工业大学学报;1998年01期

5 马克茂,马萍;卫星姿态控制的一种鲁棒控制方法[J];航空学报;2004年03期

6 许剑;杨庆俊;包钢;王捷冰;;多自由度气浮仿真试验台的研究与发展[J];航天控制;2009年06期

7 赵晨光;郑昌文;;航天仿真技术综述[J];军事运筹与系统工程;2009年03期

8 卜劭华;宋斌;;航天器姿态跟踪系统的自适应滑模控制[J];控制工程;2008年S2期

9 林壮;段广仁;宋申民;;刚体航天器姿态跟踪的高阶滑模控制器设计[J];控制与决策;2009年11期

10 包为民;;对航天器仿真技术发展趋势的思考[J];航天控制;2013年02期

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本文编号：399900