本文關(guān)鍵詞：微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】： 從20世紀(jì)80年代美國軍方提出了現(xiàn)代小衛(wèi)星的概念以來,微小衛(wèi)星發(fā)展迅速,成為目前航天器發(fā)展的一個重要方向。作為現(xiàn)代微小衛(wèi)星的關(guān)鍵部分,現(xiàn)代微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)需具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性高和低成本等特點。本文以某具體衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)的方案論證為背景,對微小衛(wèi)星的姿態(tài)確定技術(shù)、主動磁控技術(shù)和姿控算法的硬件實現(xiàn)問題進行了研究。主要研究工作如下: 較全面、系統(tǒng)的總結(jié)了歐拉角和四元數(shù)兩種衛(wèi)星姿態(tài)描述方法,建立了完整的衛(wèi)星姿態(tài)運動模型,并分析了衛(wèi)星受到的各種環(huán)境力矩的數(shù)學(xué)模型。 姿態(tài)確定方面:對微小衛(wèi)星的姿態(tài)敏感器的工作原理和測量方程進行了研究;基于確定性方法,討論了TRIAD和QUEST兩種雙矢量定姿的具體算法,給出了一種利用地磁矢量和紅外地平儀聯(lián)合定姿的粗定姿算法;基于狀態(tài)估計法,利用擴展卡爾曼濾波,設(shè)計了基于“紅外地平儀+太陽敏感器+磁強計”的聯(lián)合濾波定姿算法和基于磁強計的俯仰通道與滾動/偏航通道解耦的卡爾曼濾波定姿算法。通過仿真算例對各定姿算法的定姿精度和適用范圍進行了驗證。 主動磁控方面:介紹了執(zhí)行機構(gòu)磁力矩器的工作原理和磁控力矩的特點,討論了磁矩生成和分配的兩種方式;設(shè)計了衛(wèi)星在初始速率阻尼階段的磁控算法;針對偏置動量衛(wèi)星的運動特性,對其俯仰通道和滾動/偏航通道分別設(shè)計了相應(yīng)的磁控算法;由于偏置動量輪有可能會停轉(zhuǎn),工程中常將重力梯度桿作為一種備份執(zhí)行機構(gòu),針對重力梯度穩(wěn)定衛(wèi)星,設(shè)計了基于歐拉角反饋和基于四元數(shù)反饋兩種形式的PD磁控算法。仿真算例表明所設(shè)計的磁控算法是有效的。 最后對微小衛(wèi)星姿控算法的FPGA實現(xiàn)進行了初步研究。以Altera公司的Stratix II系列的EP2S60F1024C4芯片作為目標(biāo)器件,利用VHDL語言實現(xiàn)了偏置動量小衛(wèi)星的雙通道解耦的磁強計濾波定姿算法和相應(yīng)的磁控算法,并利用Maltab/Simulink和Modelsim,構(gòu)建了基于“Link for modelsim”的微小衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真系統(tǒng),對實現(xiàn)的姿控算法進行了功能級仿真。結(jié)果表明,本文設(shè)計的姿控算法的FPGA實現(xiàn)在功能級是正確的。
【關(guān)鍵詞】：微小衛(wèi)星 姿控系統(tǒng) 姿態(tài)確定 卡爾曼濾波 主動磁控 FPGA VHDL
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：V448.22
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 緒論13-21
• 1.1 課題背景及研究目的和意義13-14
• 1.2 微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)概述14-19
• 1.2.1 微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的組成與發(fā)展14-16
• 1.2.2 衛(wèi)星姿態(tài)確定與主動磁控算法的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.3 微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)問題18-19
• 1.3 論文主要工作及章節(jié)安排19-21
• 第二章 衛(wèi)星姿態(tài)描述及運動模型21-32
• 2.1 衛(wèi)星參考坐標(biāo)系的定義及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換21-24
• 2.1.1 參考坐標(biāo)系的定義21-22
• 2.1.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換22-24
• 2.2 衛(wèi)星姿態(tài)描述和運動學(xué)方程24-29
• 2.2.1 衛(wèi)星姿態(tài)的歐拉角描述及運動學(xué)方程24-25
• 2.2.2 衛(wèi)星姿態(tài)的四元數(shù)描述及運動學(xué)方程25-28
• 2.2.3 歐拉角與四元數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系28-29
• 2.3 衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程29
• 2.4 空間環(huán)境力矩29-31
• 2.4.1 太陽光壓力矩30
• 2.4.2 剩磁干擾力矩30
• 2.4.3 重力梯度力矩30-31
• 2.4.4 氣動力矩31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 第三章 微小衛(wèi)星姿態(tài)確定技術(shù)研究32-58
• 3.1 姿態(tài)敏感器32-36
• 3.1.1 靜態(tài)紅外地平儀32-33
• 3.1.2 太陽敏感器33-35
• 3.1.3 三軸磁強計35-36
• 3.2 衛(wèi)星姿態(tài)確定的確定性方法36-40
• 3.2.1 “紅外地平儀+磁強計”定姿36
• 3.2.2 “太陽敏感器+磁強計”雙矢量定姿36-38
• 3.2.3 仿真算例及分析38-40
• 3.3 “紅外地平儀+太陽敏感器+磁強計”擴展卡爾曼濾波定姿算法40-51
• 3.3.1 濾波狀態(tài)方程的建立與分析40-42
• 3.3.2 濾波觀測方程的建立與分析42-44
• 3.3.3 卡爾曼濾波定姿算法44-46
• 3.3.4 仿真算例及分析46-51
• 3.4 雙通道解耦的磁強計濾波定姿算法51-56
• 3.4.1 衛(wèi)星數(shù)學(xué)模型的簡化51
• 3.4.2 卡爾曼濾波器設(shè)計51-54
• 3.4.3 濾波增益矩陣的周期性分析54-55
• 3.4.4 仿真算例及分析55-56
• 3.5 本章小結(jié)56-58
• 第四章 微小衛(wèi)星主動磁控技術(shù)研究58-76
• 4.1 執(zhí)行機構(gòu)58-60
• 4.1.1 磁力矩器58-59
• 4.1.2 磁矩的生成和分配方法59-60
• 4.2 速率阻尼階段磁控律設(shè)計60-62
• 4.2.1 速率阻尼磁控律60-61
• 4.2.2 仿真算例與分析61-62
• 4.3 偏置動量小衛(wèi)星主動磁控算法62-70
• 4.3.1 偏置動量衛(wèi)星的自由運動特點62-63
• 4.3.2 俯仰通道磁控算法63-64
• 4.3.3 滾動/偏航通道磁控算法64-68
• 4.3.4 仿真算例及分析68-70
• 4.4 重力梯度穩(wěn)定小衛(wèi)星主動磁控算法70-75
• 4.4.1 基于歐拉角反饋的磁控律分析與設(shè)計70-71
• 4.4.2 基于四元數(shù)反饋的磁控律分析與設(shè)計71-73
• 4.4.3 仿真算例與分析73-75
• 4.5 本章小結(jié)75-76
• 第五章 微小衛(wèi)星姿控算法的FPGA 實現(xiàn)76-100
• 5.1 數(shù)值的表示及運算76-79
• 5.1.1 數(shù)的定點表示形式(fixed-point)76-78
• 5.1.2 數(shù)的浮點表示形式(float-point)78-79
• 5.2 微小衛(wèi)星姿控算法的VHDL 實現(xiàn)79-91
• 5.2.1 主要數(shù)據(jù)的定點表示形式79-80
• 5.2.2 姿控算法的模塊劃分與分時復(fù)用80-87
• 5.2.3 流水線操作與并行計算87-88
• 5.2.4 模塊整合與時序設(shè)置88-91
• 5.3 功能級仿真91-99
• 5.3.1 Link for Modelsim 接口簡介91-92
• 5.3.2 基于Link for Modelsim 的微小衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真系統(tǒng)92-98
• 5.3.3 仿真算例及分析98-99
• 5.4 本章小結(jié)99-100
• 第六章 總結(jié)與展望100-102
• 6.1 本文主要研究工作100-101
• 6.2 進一步的研究工作101-102
• 參考文獻102-106
• 致謝106-107
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文107

【引證文獻】

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1 郝東;繩濤;陳小前;;三軸磁強計測量誤差修正方法[J];航天器環(huán)境工程;2011年05期

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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

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2 王曉明;特定功能結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化[D];大連理工大學(xué);2010年

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中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 李爽;偏置動量重力梯度衛(wèi)星主動段磁控技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

2 郝東;微小衛(wèi)星姿態(tài)確定與磁控技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

3 沈國權(quán);面向微小衛(wèi)星的地球敏感器的設(shè)計和實現(xiàn)[D];浙江大學(xué);2012年

4 郭振東;應(yīng)用于微小衛(wèi)星的地球敏感器設(shè)計與優(yōu)化[D];浙江大學(xué);2013年

  本文關(guān)鍵詞：微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：303007