【摘要】：登陸月球,探測(cè)火星,人類(lèi)對(duì)未知宇宙的探索孜孜不倦;浩瀚星空,神秘銀河,人類(lèi)對(duì)深空探測(cè)的熱情方興未艾。隨著深空探測(cè)的快速發(fā)展,對(duì)深空探測(cè)器的姿態(tài)控制要求也越來(lái)越高。而深空探測(cè)器往往體型龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且工作環(huán)境惡劣,干擾繁多;同時(shí),各工作元件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行很有可能發(fā)生故障,而一旦發(fā)生故障,勢(shì)必會(huì)對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響,輕則導(dǎo)致控制性能下降,重則導(dǎo)致整個(gè)探測(cè)任務(wù)失敗。因此,為深空探測(cè)器設(shè)計(jì)具有強(qiáng)魯棒性的高精度姿態(tài)容錯(cuò)控制系統(tǒng)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性與研究意義的課題。故本文以深空探測(cè)器為研究對(duì)象,考慮其受到外界未知干擾影響以及內(nèi)部存在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性,并同時(shí)考慮其執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生多重故障與存在安裝偏差的情況,對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)的高精度控制與容錯(cuò)控制進(jìn)行了重點(diǎn)研究。首先,介紹了本課題的研究背景與意義,闡述了深空探測(cè)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀,并系統(tǒng)地概述了深空探測(cè)器姿態(tài)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀,指出了現(xiàn)有研究方法應(yīng)用到深空探測(cè)器上可能存在的不足之處,并據(jù)此確立了本文研究方向與重點(diǎn)。其次,研究了深空探測(cè)器姿態(tài)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。其中,首先介紹了深空探測(cè)器姿態(tài)描述所需要的常用坐標(biāo)系,接著對(duì)工程應(yīng)用以及理論研究中常用的姿態(tài)描述方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹,然后在這個(gè)基礎(chǔ)上相繼建立起深空探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及動(dòng)力學(xué)方程,最后分析了深空探測(cè)器姿態(tài)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。然后,考慮了深空探測(cè)器存在的外界未知干擾與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性,分析這兩者對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)控制精度的影響,設(shè)計(jì)了一種對(duì)外部未知干擾以及內(nèi)部未知擾動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性的高精度姿態(tài)控制器。通過(guò)將本文所提出的姿態(tài)控制方法與現(xiàn)有文獻(xiàn)里的姿態(tài)控制方法進(jìn)行仿真比較,驗(yàn)證了本文提出的姿態(tài)控制器具有更快的收斂速率與更高的姿態(tài)控制精度。最后,在所設(shè)計(jì)的高精度姿態(tài)控制器的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮了執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)發(fā)生部分失效故障與偏差故障,并且存在安裝偏差下的高精度姿態(tài)容錯(cuò)控制問(wèn)題。針對(duì)深空探測(cè)器反作用飛輪的不確定性,提出了一種新的控制器設(shè)計(jì)方法,可以處理更大的安裝偏差,同時(shí)具有更高的控制精度,并給出了所設(shè)計(jì)的姿態(tài)容錯(cuò)控制器的適用范圍,明確了其可以處理的最大安裝偏差。通過(guò)與其他姿態(tài)容錯(cuò)控制方法相比較,表明了所設(shè)計(jì)的姿態(tài)容錯(cuò)控制器能夠處理的安裝偏差范圍更大,而且具有更高的控制精度。在仿真驗(yàn)證中,分別對(duì)比了三種故障情況下的控制器性能進(jìn)行了仿真對(duì)比,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的姿態(tài)容錯(cuò)控制器的有效性及優(yōu)越性。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V448.2
【圖文】：

2) 俄羅斯俄羅斯繼承了前蘇聯(lián)在深空探測(cè)領(lǐng)域的絕大部分成果，并且在進(jìn)入 21 世紀(jì)后，制定了以火星探測(cè)為核心的一系列深空探測(cè)計(jì)劃[7]。2005 年，俄羅斯聯(lián)邦政府批準(zhǔn)了總經(jīng)費(fèi)高達(dá) 3000 多億盧布的“2006 — 2040 年俄聯(lián)邦航天發(fā)展規(guī)劃”。該規(guī)劃指出，俄羅斯計(jì)劃在 2025 年實(shí)現(xiàn)載人登月，2035 年左右實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)任務(wù)。另外，為了盡快彌補(bǔ)與美國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的差距，俄羅斯積極與歐洲太空局展開(kāi)合作，力求在深空探測(cè)領(lǐng)域取得階段性的成果；同時(shí)，俄羅斯還與中國(guó)進(jìn)行合作，共同探索火星。3) 歐空局歐洲太空局，簡(jiǎn)稱(chēng)歐空局，在進(jìn)入 21 世紀(jì)后制定了三個(gè)時(shí)期的深空探測(cè)戰(zhàn)略：在 2010 年之前，發(fā)射火星無(wú)人自動(dòng)探測(cè)器；在 2020 — 2025 年間，發(fā)射月球載人飛船，實(shí)現(xiàn)載人登月；在 2025 — 2035 年間，發(fā)射火星載人飛船，實(shí)現(xiàn)火星登陸考察。2001 年，歐空局制定了名為“曙光”的深空探測(cè)計(jì)劃，并在 2004 年對(duì)外公布了號(hào)稱(chēng)為“歐洲阿波羅計(jì)劃”的超大規(guī)模星際探索計(jì)劃[8]，該計(jì)劃的核心內(nèi)容是為歐洲各成員國(guó)制定了一份實(shí)現(xiàn)月球與火星無(wú)人探測(cè)以及載人登陸的長(zhǎng)期戰(zhàn)略，并借此尋求新技術(shù)的發(fā)展以應(yīng)對(duì)未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

態(tài)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程與姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程兩方面的內(nèi)容。在學(xué)方程之前，首先需要描述深空探測(cè)器在太空中的姿態(tài)。在實(shí)際的航天工程中通描述姿態(tài)，而在理論研究中應(yīng)用比較廣泛的方法則有單位四元數(shù)、羅德里格斯參里格斯參數(shù)等。建立姿態(tài)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)深空探測(cè)器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的分析助，而基于精確的動(dòng)力學(xué)方程設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器，往往具有比較高的姿態(tài)控制精章的主要內(nèi)容安排如下：首先介紹了深空探測(cè)器姿態(tài)描述所需要的常用坐標(biāo)系，用以及理論研究中常用的姿態(tài)描述方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，然后相繼建立起深空探動(dòng)學(xué)方程以及姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程，最后分析了深空探測(cè)器姿態(tài)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的故了數(shù)學(xué)建模。常用坐標(biāo)系及姿態(tài)描述方法 常用坐標(biāo)系標(biāo)系的形式有很多，每一種坐標(biāo)系都有其特點(diǎn)與適用范圍。為了正確的描述深空，需要至少定義一個(gè)參考坐標(biāo)系與本體坐標(biāo)系，兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸之間的角度空探測(cè)器的姿態(tài)。下面主要介紹本文中將會(huì)用到的幾個(gè)坐標(biāo)系。

深空探測(cè)器高精度姿態(tài)容錯(cuò)控制研究動(dòng)的影響。如圖 2.1 所示，地心赤道坐標(biāo)系e i i iO X Y Z 的原點(diǎn)eO 取在地平面與黃道平面的交線(xiàn)指向春分點(diǎn)方向，e iO Z 軸沿地球自轉(zhuǎn)方向指內(nèi)，并與其它兩軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。道坐標(biāo)系坐標(biāo)系簡(jiǎn)稱(chēng)軌道坐標(biāo)系，是一個(gè)以軌道平面與地心定義的坐標(biāo)系。道平面，坐標(biāo)原點(diǎn)O為航天器的質(zhì)心，oOZ 軸指向地心，oOX 軸在向航天器運(yùn)動(dòng)的方向，oOY 軸垂直軌道平面與另外兩軸構(gòu)成右手坐本體坐標(biāo)系坐標(biāo)系簡(jiǎn)稱(chēng)本體坐標(biāo)系，它是一個(gè)固連在航天器本體上的坐標(biāo)系。點(diǎn)O與質(zhì)心軌道坐標(biāo)系一致，都位于航天器的質(zhì)心，其三個(gè)坐標(biāo)軸因此當(dāng)航天器處在姿態(tài)三軸穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，那么本體坐標(biāo)系就會(huì)與地，本體坐標(biāo)系的bOX 軸稱(chēng)為滾動(dòng)軸，指向航天器的運(yùn)動(dòng)方向，O，bOY 軸稱(chēng)為俯仰軸，與其他兩軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，所以航天器繞O稱(chēng)為滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2773106