52110805-李齊政-自動化-衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）承諾書 本科生畢業(yè)業(yè)論文（設(shè)設(shè)計）中文題目 衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計 英文題目 The sateellitte atttituudeccontrrol ssysteemdeesignn 答辯組號 7 答辯辯序號 11 學(xué) 院 通信工工程學(xué)院 專 業(yè) 自動化 吉林大學(xué)學(xué)學(xué)士學(xué)位論論文（設(shè)計計）承諾書書 本人鄭重承承諾：所呈呈交的學(xué)士士學(xué)位畢業(yè)業(yè)論文（設(shè)設(shè)計），是是本人在指指導(dǎo)教師的的指導(dǎo)下，獨(dú)獨(dú)立進(jìn)行實實驗、設(shè)計計、調(diào)研等等工作基礎(chǔ)礎(chǔ)上取得的的成果。除除文中已經(jīng)經(jīng)注明引用用的內(nèi)容外外，本論文文（設(shè)計）不不包含任何何其他個人人或集體已已經(jīng)發(fā)表或或撰寫的作作品成果。對本

2、人實實驗或設(shè)計計中做出重重要貢獻(xiàn)的的個人或集集體，均已已在文中以以明確的方方式注明。本人完全全意識到本本承諾書的的法律結(jié)果果由本人承承擔(dān)。摘 要摘 要隨著科學(xué)技技術(shù)的進(jìn)步步，衛(wèi)星技技術(shù)及應(yīng)用用也在不斷斷的發(fā)展，人人們對衛(wèi)星星精度、穩(wěn)穩(wěn)定度的要要求不斷的的提高，衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)在在其中的作作用越來越越重要，衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)的的設(shè)計和仿仿真也就成成為了人們們關(guān)注的熱熱點(diǎn)。本文從衛(wèi)星星姿態(tài)控制制系統(tǒng)設(shè)計計的角度出出發(fā)，建立立了衛(wèi)星的的數(shù)學(xué)模型型，并針對對所建立的的數(shù)學(xué)模型型進(jìn)行了控控制系統(tǒng)的的設(shè)計，最最后搭建和和實現(xiàn)相應(yīng)應(yīng)的仿真系系統(tǒng)。主要要的工作有有以下幾個個內(nèi)容:首先，選定定本文研究究所

3、應(yīng)用的的空間參考考坐標(biāo)系，主主要介紹了了兩種姿態(tài)態(tài)描述的方方法，分別別是歐拉角角描述法和和四元數(shù)描描述法以及及他們的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系。然后，分分別利用這這兩種描述述法建立衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)動動力學(xué)模型型。 其其次，設(shè)計計了PIDD控制器。PID控控制算法應(yīng)應(yīng)用廣泛，參參數(shù)易于整整定，所以以PID算算法被非常常普遍的用用于衛(wèi)星系系統(tǒng)。最后，基于于MatllabSSimullink進(jìn)進(jìn)行了仿真真，針對仿仿真結(jié)果進(jìn)進(jìn)行分析證證明PIDD控制器的的有效性。關(guān)鍵詞 三軸穩(wěn)定定衛(wèi)星 衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)控制 PID控控制方法 仿真 ABSTRACTABSTRRACTWith the proggresss of scieence

4、and techhnoloogy,SSatelllitee tecchnollogy and its appllicattioninccontiinuouus deeveloopmennt,Deemandd forrsattelliiteppreciisionn,sttabillityand conttinuoouslyy impprovee,Thee sattelliite aattittudeconttrol systtemiis geettinng moore aand mmore impoortannt ,DDesiggn annd Siimulaationnof sateellitt

5、e atttituude ccontrrol ssysteemhaas beecomeethee foccus oof atttenttion of tthe ppeoplle,thhisppaperrthee dessign of tthe ccontrrol ssysteemfrrom tthe aangleeofsateellitte atttituude,TThe eestabblishhmentt of mathhematticallmoddeloof thesateellitte, And has carrried on tthe ppreliiminaaryddesiggn of

6、f thee conntroll sysstem accoordinng toothee esttabliishedd matthemaaticaal moodel,Thedesiign aand iimpleementtatioon offthee corrresppondiing ssimullatioon syystemm,Thee maiinwoork iis ass folllowss:Firstt of all，thee nummber offfour yuanndesscripptionnequuatioon,Thenn usiing tthemmethood off mullt

7、i rrigidd boddymoodeliing,Accoordinng tootheedifffereent wworkiing ccondiitionns,Deduuced thesateellitte dyynamiics eequattioncorrrespoondinng too thee.Basedd on certtain assuumptiions,Flexxiblee sattelliite ddynammicsequaationns arre giiven.But alsoo anaalyzeesthhe diisturrbanccebyytheesattelliitei

8、insppace,And givees thhecoorresspondding mathhematticall moddel,Desiign oofatttituude ccontrrol ssysteemmaathemmaticcal mmodell is estaablisshedto.Seconndly,theere aare mmany kindds offacttuatoorsccan ccontrrol tthessatelllitee atttitudde,oone oof whhich is zeroo mommentuumreeactiion wwheell.By esta

9、ablisshinggitss matthemaaticaal moodel,thee rellatioonshiip beetweeenittsinnput and outpputffuncttion can bedderivved,in oorderr to studdy thhe feeasibbilitty offthee conntrolller.The PID conttrolllerddesiggn,ccontrrol oofsiimulaationn sysstem andits effeectivvenesss.Finallly, the simuulatiion rresu

10、llts bbasedd on Matllab / Simmulinnk arre caarrieed ouut, aand tthe ssimullatioon reesultts arre prrovedd to provve thhe vaalidiity oof PIID coontroollerr.Keywoords Thrree-aaxis stabbilizzed ssatelllitee atttitudde off sattelliite PID conttrol methhod simuulatiion 目 錄目 錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _To

11、c421775974 第一章 緒緒論 第一章 緒論 第一章 緒緒論 設(shè)設(shè)計一個衛(wèi)衛(wèi)星最關(guān)鍵鍵的問題就就是姿態(tài)控控制系統(tǒng)的的設(shè)計，這這需要有相相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定定度和精度度，而且要要在使用時時間和穩(wěn)定定性上進(jìn)行行不斷的提提高，所以以現(xiàn)在對衛(wèi)衛(wèi)星的控制制系統(tǒng)的精精度和穩(wěn)定定性的要求求也越來越越高了11。姿態(tài)態(tài)控制系統(tǒng)統(tǒng)需要具有有高度的可可擴(kuò)展性和和強(qiáng)大的輸輸入輸出功功能。 人人類不斷的的去追求社社會的發(fā)展展，其認(rèn)知知領(lǐng)域和活活動范圍已已經(jīng)無法局局限在地球球范圍內(nèi)了了，所以對對太空的探探索得到了了空前的發(fā)發(fā)展?，F(xiàn)代代科學(xué)技術(shù)術(shù)為增長最最快的一個個復(fù)雜的技技術(shù)，航天天技術(shù)是現(xiàn)現(xiàn)代科學(xué)技技術(shù)和工業(yè)業(yè)的高度聚聚集

12、的基礎(chǔ)礎(chǔ)，太空技技術(shù)不僅可可以衡量其其國家的科科技水平，更更能夠反映映其國家的的綜合實力力。太空技技術(shù)的發(fā)展展促進(jìn)了現(xiàn)現(xiàn)代社會的的發(fā)展，對對探索太空空的奧秘起起到了顯著著成效。1.1 課課題背景和和研究意義義1.1.11 課題的的背景伴隨著時代代的進(jìn)步，科科學(xué)技術(shù)得得到了長足足的發(fā)展。作為一個個可以衡量量國家科技技能力的航航天技術(shù)，逐逐漸受到各各國的重視視而成為了了重點(diǎn)發(fā)展展對象。航航天技術(shù)是是人類探索索宇宙的有有力武器，它它也帶來了了非常巨大大的社會上上的效益與與經(jīng)濟(jì)上的的效益?？湛臻g站和氣氣象的衛(wèi)星星與航天飛飛機(jī)以及進(jìn)進(jìn)行科學(xué)探探測的衛(wèi)星星和通信的的衛(wèi)星等不不僅僅是人人類去探索索浩瀚宇宙宙

13、的奧秘的的成功的標(biāo)標(biāo)志，而且且使人類的的生活發(fā)生生了巨大的的變化。航航空與航天天的技術(shù)的的發(fā)展水平平是反映一一個國家的的軍事上的的實力和經(jīng)經(jīng)濟(jì)上的實實力的重要要標(biāo)志。我我國的航天天事業(yè)從建建國到現(xiàn)在在已經(jīng)得到到了迅速的的發(fā)展，繼繼19700年我國發(fā)發(fā)射了第一一顆人造衛(wèi)衛(wèi)星“東方紅一一號”以來，已已經(jīng)自主研研制并且發(fā)發(fā)射了大約約70多顆衛(wèi)衛(wèi)星，這些些衛(wèi)星在進(jìn)進(jìn)行地形勘勘測和自然然災(zāi)害預(yù)測測與天氣預(yù)預(yù)報以及軍軍事偵察中中得到了廣廣泛的應(yīng)用用。神州55號飛船的的發(fā)射成功功更是標(biāo)志志著我國的的航天事業(yè)業(yè)邁上了一一個新的臺臺階。航天天的業(yè)務(wù)中中的一個非非常重要的的組成部分分就是衛(wèi)星星，我國從從開始到現(xiàn)現(xiàn)

14、在一直花花費(fèi)非常大大的精力對對它進(jìn)行研研究。衛(wèi)星星的設(shè)計中中的一個重重要的問題題就是是姿姿態(tài)的確定定與控制，姿姿態(tài)的確定定是研究這這個衛(wèi)星相相對于某一一個坐標(biāo)系系的姿態(tài)的的定位，衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)的的控制就是是指衛(wèi)星在在預(yù)先就確確定的方向向上的定向向。在軌道中運(yùn)運(yùn)行的衛(wèi)星星一般都承承擔(dān)著一定定的探測與與開發(fā)以及及合理利用用空間的任任務(wù)，為了了去完成這這些任務(wù)，對對衛(wèi)星的姿姿態(tài)提出了了各種各樣樣的要求，這這么多的要要求全都可可以歸納為為姿態(tài)的控控制。姿態(tài)態(tài)確定系統(tǒng)統(tǒng)它是姿態(tài)態(tài)控制系統(tǒng)統(tǒng)中的一個個重要的組組成部分，它它的精度是是影響姿態(tài)態(tài)控制系統(tǒng)統(tǒng)的精度好好壞的決定定性的因素素。姿態(tài)確確定的主要要業(yè)務(wù)就是

15、是通過姿態(tài)態(tài)敏感器的的測量信息息，去精確確的估計衛(wèi)衛(wèi)星的三軸軸姿態(tài)的信信息，一個個方面可以以為姿控系系統(tǒng)提供信信息上的反反饋，可以以用來更好好地對衛(wèi)星星進(jìn)行姿控控；另一個個方面是可可以提供給給有作用的的載荷去使使用。姿態(tài)態(tài)的確定系系統(tǒng)的主要要組成部分分是姿態(tài)敏敏感器與相相對應(yīng)的姿姿態(tài)信息的的處理算法法，姿態(tài)確確定的精確確度不僅僅僅取決于姿姿態(tài)的測量量系統(tǒng)的硬硬件功能和和精確度，它它還與姿態(tài)態(tài)的估計算算法有關(guān)系系。傳統(tǒng)的的衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)確定系統(tǒng)統(tǒng)中一般都都配置了陀陀螺，用來來提供角速速度的信息息，但是由由于陀螺它它存在著漂漂移導(dǎo)致的的誤差，所所以一般的的衛(wèi)星姿控控系統(tǒng)都是是把陀螺作作為它的參參考基準(zhǔn)

16、，然然后配以其其他姿態(tài)敏敏感器對陀陀螺的漂移移進(jìn)行校正正。順應(yīng)對衛(wèi)星星的精度高高和壽命高高以及可靠靠性高的發(fā)發(fā)展趨勢的的要求，對對衛(wèi)星的姿姿態(tài)確定和和控制系統(tǒng)統(tǒng)的要求也也變得越來來越高，因因此學(xué)者研研究的熱點(diǎn)點(diǎn)就是精確確度高的姿姿態(tài)確定系系統(tǒng)和姿控控系統(tǒng)。1.1.22 研究意意義在新中國成成立之后，中中國的航天天事業(yè)創(chuàng)造造了一個又又一個的輝輝煌的成績績，這幾十十年來我國國獨(dú)立自主主的研制成成功了幾十十顆人造地地球衛(wèi)星，其其中，通過過利用星載載可見的光光照相機(jī)等等遙感儀器器的遙感衛(wèi)衛(wèi)星可以獲獲得大量的的對地球觀觀測的照片片，這些照照片具有分分辨力非常常高、比例例尺非常合合適、畸形形變化很小小、覆

17、蓋的的范圍很廣廣闊、可以以連續(xù)的進(jìn)進(jìn)行觀測、視點(diǎn)非常常高、可以以獲得大量量的對地觀觀測的照片片、視域非非常廣闊、獲取數(shù)據(jù)據(jù)非?？斓鹊戎T多優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，它現(xiàn)在在已經(jīng)成為為了國家制制定環(huán)境保保護(hù)的策略略、資源的的開發(fā)與利利用的不能能缺少的技技術(shù)上的支支持,現(xiàn)在在已經(jīng)廣泛泛的應(yīng)用于于科學(xué)研究究上、工農(nóng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上上、軍事偵偵察方面、環(huán)境保護(hù)護(hù)的領(lǐng)域，包包括普查國國土、勘探探石油、調(diào)調(diào)查地質(zhì)、鐵路的選選線、海洋洋海岸的測測繪、地圖圖的測繪、目標(biāo)點(diǎn)的的定位、電電站的選址址等許許多多多個領(lǐng)域域2,33。由于于遙感衛(wèi)星星的特殊功功能要求，所所以大都采采用三軸穩(wěn)穩(wěn)定的控制制方式，這這種控制方方式能夠保保證指向的的精確

18、度和和控制的穩(wěn)穩(wěn)定度等技技術(shù)指標(biāo)的的要求。如果要保證證遙感衛(wèi)星星的高精確確度、高可可靠性和高高穩(wěn)定性的的在軌道長長期運(yùn)行，就就必須保證證擁有足夠夠高的指向向精確度和和控制的穩(wěn)穩(wěn)定度。衛(wèi)衛(wèi)星的姿控控系統(tǒng)對衛(wèi)衛(wèi)星的姿態(tài)態(tài)精確度與與穩(wěn)定度起起到了決定定性的作用用。姿態(tài)確確定是衛(wèi)星星本體坐標(biāo)標(biāo)系相對于于參考坐標(biāo)標(biāo)系的姿態(tài)態(tài)的定位的的過程，而而姿控是衛(wèi)衛(wèi)星本體坐坐標(biāo)系向參參考坐標(biāo)系系的定向過過程。近年年來隨著衛(wèi)衛(wèi)星技術(shù)的的不斷的提提高，各種種各樣的空空間任務(wù)對對衛(wèi)星姿控控的精確度度要求也變變得越來越越高4。比如，對對地球觀測測的衛(wèi)星的的指向精確確度從上個個世紀(jì)七十十年代到本本世紀(jì)初由由1。提高到了了O0

19、01。5，衛(wèi)衛(wèi)星壽命則則提高到了了好幾十年年。這就意意味著高精精確度姿控控技術(shù)迎來來了更快的的發(fā)展，同同時這也意意味它面臨臨著更多的的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星其實是是一個非常常精密的航航天器的設(shè)設(shè)備，并且且它的造價價非常的高高昂，一旦旦發(fā)射進(jìn)入入太空中就就很難對它它進(jìn)行維護(hù)護(hù)，這對衛(wèi)衛(wèi)星研發(fā)工工作帶來了了非常巨大大的困難，這這要求衛(wèi)星星上的各類類系統(tǒng)與設(shè)設(shè)備擁有著著非常高的的穩(wěn)定性。同時也由由于它的成成本比較高高，而且運(yùn)運(yùn)行環(huán)境是是外太空環(huán)環(huán)境，所以以在地面很很難對它進(jìn)進(jìn)行非常全全面的物理理仿真實驗驗，這就要要求在初期期的系統(tǒng)仿仿真論證之之中能夠考考慮到許許許多多方面面的實際因因素，并且且對衛(wèi)星在在軌道運(yùn)行

20、行時的各種種工作狀態(tài)態(tài)和星上系系統(tǒng)進(jìn)行仿仿真研究，以以此來驗證證衛(wèi)星設(shè)計計工作的可可行性以及及它的穩(wěn)定定性。以仿仿真實驗作作為基礎(chǔ)，作作為指導(dǎo)衛(wèi)衛(wèi)星的實際際研發(fā)工作作的一個參參考。姿態(tài)控制系系統(tǒng)（Atttituude CContrrol SSysteem,簡稱稱ASC）在在衛(wèi)星技術(shù)術(shù)的實現(xiàn)過過程中扮演演了至關(guān)重重要的角色色6。隨著通信信、遙感等等通信衛(wèi)星星的廣泛應(yīng)應(yīng)用，高精精度、長壽壽命、高可可靠的衛(wèi)星星成為發(fā)展展趨勢。所所以，高精精度衛(wèi)星姿姿態(tài)控制技技術(shù)是時下下研究的熱熱門課題，它它迎來更快快發(fā)展的同同時也面臨臨著巨大的的挑戰(zhàn)。本文主要研研究的是三三軸穩(wěn)定衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)，在在此基礎(chǔ)上上

21、建立了完完整的控制制系統(tǒng)的數(shù)數(shù)學(xué)模型，并并設(shè)計了合合理的控制制規(guī)律對衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)進(jìn)行控制，以以提高衛(wèi)星星姿態(tài)控制制的精度和和穩(wěn)定程度度。1.2 衛(wèi)衛(wèi)星姿控當(dāng)當(dāng)前的發(fā)展展情況 人人們對衛(wèi)星星的研究開開始于二十十世紀(jì)800代。那時時，一個英英國剛剛畢畢業(yè)于塞瑞瑞大學(xué)的博博士生馬丁丁和其他三三名成員通通過努力將將世界上第第一個使用用微處理器器公斤級衛(wèi)衛(wèi)星研制成成功，并隨隨著美國的的三角洲火火箭成功地地攜帶進(jìn)入入太空軌道道，這也開開啟了一個個新的衛(wèi)星星時代。 對對于衛(wèi)星的的制造方面面，有兩項項技術(shù)是起起著決定性性的作用的的，第一項項技術(shù)是衛(wèi)衛(wèi)星控制系系統(tǒng)，第二二項技術(shù)為為姿態(tài)確定定系統(tǒng)。這這兩項技術(shù)術(shù)

22、的發(fā)展共共同決定著著衛(wèi)星系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)展7。在在基于衛(wèi)星星的時間限限制的技術(shù)術(shù)條件下，大大多數(shù)的早早期的應(yīng)用用是一種被被動的技術(shù)術(shù)，這就使使得衛(wèi)星姿姿態(tài)控制精精確度的缺缺陷不能去去滿足一些些尚未完成成的任務(wù)，對對于衛(wèi)星的的應(yīng)用推廣廣起到了不不好的影響響。在事實實上，應(yīng)用用程序?qū)ο笙蟮男l(wèi)星八八十年代主主要是實驗驗性的電子子設(shè)備進(jìn)行行的姿態(tài)控控制精度低低。出現(xiàn)在在90年代代后期，光光姿態(tài)控制制執(zhí)行器和和傳感器，如如此一個小小小的先進(jìn)進(jìn)技術(shù)，使使現(xiàn)代衛(wèi)星星姿態(tài)確定定與控制技技術(shù)的進(jìn)一一步的成熟熟，推動了了其現(xiàn)實條條件下的使使用價值。在此之后后，三軸穩(wěn)穩(wěn)定衛(wèi)星逐逐漸從被動動控制到主主動控制方方式的控制制，

23、并且應(yīng)應(yīng)用于控制制系統(tǒng)的精精度和衛(wèi)星星姿態(tài)確定定的發(fā)展也也有了很大大的提高。 微微型高精度度姿態(tài)測量量和執(zhí)行設(shè)設(shè)備所面臨臨改善的小小衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)控制水平平的最大制制約因素，目目前國際上上在科學(xué)研研究和成果果的地球引引力已經(jīng)實實現(xiàn)了對相相應(yīng)的捕獲獲，而且在在很多星體體上得到了了實際的應(yīng)應(yīng)用。例如如，被稱為為“現(xiàn)代衛(wèi)星星模型美美國月球探探測器：克克萊門汀星星敏感器就就是由勞倫倫斯Livvemorre國家實實驗室開發(fā)發(fā)的，精確確度相當(dāng)?shù)牡母?，而且且重量也不不到半公斤斤重。如果果以上述硬硬件組裝的的測量系統(tǒng)統(tǒng)，它的精精確度可以以控制在0003度度左右。零零偏置飛輪輪，以斜碰碰撞作為備備份，另外外采用姿態(tài)

24、態(tài)控制致動動器，正交交方式安裝裝在方向軸軸上，整個個系統(tǒng)的準(zhǔn)準(zhǔn)確性能高高達(dá)O005度。除除了Cleementtine外外，還有一一些國外先先進(jìn)的小衛(wèi)衛(wèi)星，比如如BIRDD、SUNNSAT、MSTII3等88。它們們分別是由由德國、南南非和美國國制造，它它們采用慣慣性器件與與高精度光光學(xué)敏感器器綁定的綜綜合姿態(tài)確確定系統(tǒng)，而而其主要控控制手段就就是輕型反反作用飛輪輪。該系統(tǒng)統(tǒng)已成為當(dāng)當(dāng)前衛(wèi)星姿姿態(tài)確定的的重要手段段，也大量量應(yīng)用于一一般的衛(wèi)星星控制。通通過精確控控制多個衛(wèi)衛(wèi)星國外，再再加上衛(wèi)星星的集成一一般的組合合跟蹤整個個恒星參數(shù)數(shù)的比較，采采用比較成成熟的技術(shù)術(shù)，敏感器器一般可以以采用地平平

25、儀等，執(zhí)執(zhí)行器一般般是飛輪或或者是噴管管。1.2.11 姿態(tài)監(jiān)監(jiān)測系統(tǒng)及及其基本概概念衛(wèi)星的姿態(tài)態(tài)表示衛(wèi)星星在空間中中的方位，通通常所謂的的姿態(tài)確定定就是指確確定衛(wèi)星本本體坐標(biāo)系系相對于某某一參考坐坐標(biāo)系或某某一特定目目標(biāo)的姿態(tài)態(tài)，衛(wèi)星姿姿態(tài)確定是是對衛(wèi)星進(jìn)進(jìn)行控制的的前提和基基礎(chǔ)。姿態(tài)態(tài)確定算法法和姿態(tài)敏敏感器共同同組成的系系統(tǒng)即姿態(tài)態(tài)確定系統(tǒng)統(tǒng)。首先介紹衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)敏敏感器：衛(wèi)星姿態(tài)敏敏感器按不不同的基準(zhǔn)準(zhǔn)方位可以以分為以下下5類9：以天體為基基準(zhǔn)方位：主要有星星敏感器、太陽敏感感期等；以地面站為為基準(zhǔn)方位位：射頻敏敏感器等；以地球為基基準(zhǔn)方位：主要有紅紅外地平儀儀、紅外圓圓錐掃描地地球敏感

26、器器等；以慣性空間間為基準(zhǔn)方方位：陀螺螺等；其他，以地地貌為基準(zhǔn)準(zhǔn)方位，如如陸標(biāo)敏感感器等，以以地磁場為為基準(zhǔn)方位位：磁強(qiáng)計計等。 姿態(tài)敏感感器一般由由信號處理理線路和測測量變換器器兩部分組組成，按不不同方式的的測量變換換器可以分分為下列44類：慣性敏感器器：陀螺等等；無線電敏感感器：射頻頻敏感器等等；光學(xué)敏感器器：太陽敏敏感器、紅紅外地平儀儀、星敏感感器、地球球反照敏感感器等；其他，例如如磁強(qiáng)計等等。 常用衛(wèi)星星姿態(tài)敏感感器的比較較如表1-1所示：表1-1 常用衛(wèi)星星姿態(tài)敏感感器的比較較姿態(tài)敏感器器類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)精度星敏感器精度高、自自主性強(qiáng)、無活動部部件、不受受軌道影響響成本高、結(jié)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)

27、統(tǒng)復(fù)雜，視視場較小，對對環(huán)境要求求高，要防防止太陽等等雜光干擾擾地球敏感器器信號強(qiáng)、分分析方便、輪廓分明明，適合對對地飛行的的近地軌道道一般需要活活動掃描機(jī)機(jī)構(gòu)，易受受太陽等干干擾太陽敏感器器信號源強(qiáng)、視場大、輪廓清晰晰、質(zhì)量輕輕、功耗低低陰影區(qū)無有有效信號輸輸出陀螺精度高、動動態(tài)響應(yīng)快快、不受軌軌道影響功耗大，輸輸出有漂移移，對環(huán)境境要求較高高。另外，機(jī)機(jī)械陀螺具具有高速旋旋轉(zhuǎn)部件，光光纖陀螺具具有高速旋旋轉(zhuǎn)部件，光光纖陀螺易易受磁、溫溫影響隨機(jī)漂移：磁強(qiáng)計成本低、功功耗低、對對低軌道衛(wèi)衛(wèi)星靈敏度度高受軌道高度度影響大，容容易受星上上電磁干擾擾結(jié)合上表所所列出的各各個姿態(tài)敏敏感器的特特點(diǎn)，采

28、用用幾種姿態(tài)態(tài)敏感器相相組合的方方式來測定定衛(wèi)星的姿姿態(tài)，進(jìn)而而可靠地提提高衛(wèi)星姿姿態(tài)控制精精度。目前前應(yīng)用較為為廣泛的包包括：陀螺螺+星敏感感器+冗余余敏感器的的組合，這這樣的組合合姿態(tài)精度度高，一般般都優(yōu)于，但但是成本高高，視場也也偏窄。另另外一種應(yīng)應(yīng)用較廣泛泛、確定精精度高的組組合方式是是陀螺+兩兩個紅外地地平儀+數(shù)數(shù)字太陽敏敏感器+磁磁強(qiáng)計，精精度一般優(yōu)優(yōu)于，成本本適中110。然后介紹衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)確確定算法：姿態(tài)確定算算法就是通通過某種算算法處理姿姿態(tài)敏感器器所測量的的數(shù)據(jù)誤差差，估計出出衛(wèi)星的姿姿態(tài)，是姿姿態(tài)控制的的輸入部分分。衛(wèi)星使使用不同的的姿態(tài)敏感感器在不同同的工作模模式下運(yùn)行行

29、，例如太太陽敏感器器無法在陰陰影區(qū)域工工作，一般般采用陀螺螺+地球敏敏感器的組組合來測定定姿態(tài)111。衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)確確定算法主主要包括狀狀態(tài)估計和和確定性方方法。狀態(tài)估計方方法運(yùn)用姿姿態(tài)運(yùn)動學(xué)學(xué)或者動力力學(xué)建立系系統(tǒng)模型的的狀態(tài)方程程。狀態(tài)估估計法能夠夠提供統(tǒng)計計最優(yōu)解，且且被估計量量不僅限于于姿態(tài)參數(shù)數(shù)，參考矢矢量、觀測測矢量中的的一些不確確定參數(shù)也也可列入被被估計量，這這樣在一定定程度上能能剔除某些些不確定因因素影響，提提高姿態(tài)確確定的精度度?，F(xiàn)今應(yīng)應(yīng)用比較廣廣泛的狀態(tài)態(tài)估計法為為卡爾曼濾濾波，常常常應(yīng)用于陀陀螺+姿態(tài)態(tài)敏感器的的組合的情情況，但是是這種估計計方法有一一定的局限限性，多被被應(yīng)

30、用于小小角度情況況。陀螺儀儀+姿態(tài)敏敏感器的情情況還可以以用最小方方差估計。另外還有有自適應(yīng)濾濾波、正交交姿態(tài)濾波波、粒子濾濾波、預(yù)測測濾波等方方法。確定性算法法要求較高高的測量精精度和明確確的物理意意義或者是是幾何意義義，是設(shè)計計優(yōu)化姿態(tài)態(tài)參數(shù)的方方法。Waahba提提出的求解解姿態(tài)矩陣陣的最小二二乘性能指指標(biāo)是最早早出現(xiàn)的確確定性算法法，為了得得到姿態(tài)矩矩陣的最優(yōu)優(yōu)化解，需需要將矢量量測量信息息的性能指指標(biāo)最小化化12。TRAAID(三三元組方法法）方法是是根據(jù)兩個個非平行矢矢量測量值值確定姿態(tài)態(tài)矩陣，但但是它沒有有用到全部部的測量信信息，只能能對兩個矢矢量進(jìn)行處處理，所以以不是最優(yōu)優(yōu)的1

31、33。而快快速最優(yōu)矩矩陣估計法法,（FOAAM)四元元數(shù)估計法法,（QUAAST)歐歐拉軸/角角估計法（EEulerr-q)等等可以得到到在最小二二乘意義上上的姿態(tài)矩矩陣的最優(yōu)優(yōu)解144。1.2.22 姿態(tài)控控制執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)姿控系統(tǒng)的的執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)主要有飛飛輪、控制制力矩陀螺螺、推力器器、磁力矩矩器等等，這這些執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)工作在在不同的工工作模式當(dāng)當(dāng)中，對應(yīng)應(yīng)著相應(yīng)的的控制算法法。飛輪是衛(wèi)星星上非常典典型的執(zhí)行行機(jī)構(gòu)，下下面是飛輪輪系統(tǒng)的優(yōu)優(yōu)越性：(1)飛輪輪的抗干擾擾性是連續(xù)續(xù)的、精確確的，控制制性非常的的高。與推推進(jìn)器只能能工作在脈脈沖模式下下，精確性性是有限的的。(2)飛輪輪可以使用用太陽能支

32、支持其運(yùn)行行十多年。然而噴氣氣系統(tǒng)就要要受到太空空器所攜帶帶燃料的限限制，無法法運(yùn)行那么么長的時間間。(3)飛輪輪可以選擇擇不同的組組裝的模式式，它具有有很大的可可變性。但但是飛輪控控制也有它它的局限性性，那就是是轉(zhuǎn)速的飽飽和，當(dāng)飛飛輪旋轉(zhuǎn)達(dá)達(dá)到飽和狀狀態(tài)時，就就需要借助助噴氣系統(tǒng)統(tǒng)或者是磁磁力器對其其進(jìn)行卸載載。飛輪通過動動量交換的的方式來輸輸出反作用用力矩從而而能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)的控制。它在衛(wèi)星星本體上有有許許多多多種不同的的安裝方式式，衛(wèi)星的的整星動量量的情況隨隨著衛(wèi)星構(gòu)構(gòu)型的不同同也不全都都是相同的的，目前有有整星零動動量系統(tǒng)與與整星偏置置動量系統(tǒng)統(tǒng)這兩種。(1)整星星零動量系系統(tǒng)整

33、星零動量量系統(tǒng)系統(tǒng)統(tǒng)一般都是是采用飛輪輪作為它的的執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)，而且飛飛輪系統(tǒng)的的角動量在在標(biāo)稱的情情況下合成成的角動量量為零。它它有多種安安裝的型式式，根據(jù)某某種特定構(gòu)構(gòu)型，多個個反作用飛飛輪和偏置置動量飛輪輪都可以組組成整星零零動量系統(tǒng)統(tǒng)。反作用用飛輪控制制的精確度度相比偏置置動量輪更更高，但是是它在轉(zhuǎn)速速過零時就就會出現(xiàn)不不穩(wěn)定的現(xiàn)現(xiàn)象。在飛飛輪控制系系統(tǒng)設(shè)計的的時候就需需要綜合考考慮到飛輪輪的控制精精確度，動動量的消耗耗，抗干擾擾的能力等等各種情況況，合理的的選擇和構(gòu)構(gòu)型。整星星零動量通通常用于對對姿態(tài)控制制精確度和和穩(wěn)定度要要求比較高高的衛(wèi)星，比比如遙感衛(wèi)衛(wèi)星和資源源衛(wèi)星等等等。反作用

34、飛輪輪的安裝的的方式主要要有三種類類型。第一一種是沿著著衛(wèi)星的三三軸正交安安裝三個反反作用飛輪輪，并且沒沒有冗余配配置；第二二種叫做冗冗余備份的的安裝方法法是：三個個飛輪沿著著衛(wèi)星三軸軸正交安裝裝，一個斜斜裝的飛輪輪和三個正正交軸組成成的夾角相相等并且都都是，在飛飛輪發(fā)生故故障的時候候作為備份份輪進(jìn)行自自行切換；最后一種種方法就是是將四個飛飛輪相對于于俯仰軸來來說對稱斜斜裝，各個個飛輪的角角動量和俯俯仰軸的夾夾角都是，對對角的兩個個飛輪的角角動量分別別在一個平平面內(nèi)，與與滾動的平平面或者是是偏航平面面的交線和和滾動軸或或者是偏航航軸的夾角角為，這種安安裝方式結(jié)結(jié)構(gòu)合理，但但是實際安安裝要求比比

35、較高，控控制算法等等相對比較較復(fù)雜。偏置動量輪輪它作為執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的安裝方式式，斜著裝裝的偏置動動量輪角動動量方向和和前面三個個的合成的的角動量的的大小是相相等的，方方向是相反反的，可以以保證構(gòu)成成的是整星星零動量系系統(tǒng)。偏置置動量輪能能夠有效的的避免反作作用飛輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過零的的時候摩擦擦力矩對衛(wèi)衛(wèi)星姿控精精確度和穩(wěn)穩(wěn)定度的影影響，我國國的資源衛(wèi)衛(wèi)星，對地地指向精度度要求較高高的衛(wèi)星多多采用這種種配置安裝裝方式。(2)整星星偏置動量量系統(tǒng)偏置動量系系統(tǒng)利用陀陀螺定軸性性由偏置動動量輪產(chǎn)生生角動量。一般的偏偏置動量輪輪是沿著衛(wèi)衛(wèi)星俯仰軸軸負(fù)方向安安裝的，動動量方向相相對星體坐坐標(biāo)是恒定定的，當(dāng)數(shù)數(shù)

36、值足夠大大時，定向向性保證對對滾動軸與與偏航軸產(chǎn)產(chǎn)生陀螺效效應(yīng)被動穩(wěn)穩(wěn)定，滾動動一俯仰通通道通過磁磁力矩器或或者推力器器進(jìn)行耦合合控制，偏偏航誤差隨隨軌道的運(yùn)運(yùn)動耦合為為滾動誤差差。這種結(jié)結(jié)構(gòu)相對簡簡單，輸出出力矩很大大，不需要要安裝偏航航敏感器，但但是如果角角動量比較較大會引起起耦合效應(yīng)應(yīng)，導(dǎo)致偏偏航軸控制制精度降低低。這種動動量系統(tǒng)一一般在中等等精度的衛(wèi)衛(wèi)星控制系系統(tǒng)中采用用。在飛輪作為為設(shè)計方案案的前提下下，如果追追求高精度度，應(yīng)該選選擇零動量量輪控系，其其次，可以以考慮偏置置動量輪控控系或者兩兩種控制系系統(tǒng)的混合合安裝方式式。動量輪輪的控制系系統(tǒng)方案的的主要弊端端有：作為為影響零飛飛輪

37、的摩擦擦力矩干擾擾會產(chǎn)生不不穩(wěn)定性；由于機(jī)構(gòu)構(gòu)的慣性問問題，在衛(wèi)衛(wèi)星受到擾擾動的情況況下，容易易產(chǎn)生共鳴鳴現(xiàn)象。零零動量輪需需要考慮由由正轉(zhuǎn)過度度為反轉(zhuǎn)的的題；偏置置動量輪控控制需要考考慮軸間互互干擾問題題。1.2.33 姿態(tài)控控制規(guī)律控制規(guī)律的的設(shè)計是控控制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計的核心心部分，由由控制器實實現(xiàn)，可以以軟件編程程實現(xiàn)也可可以有硬件件實現(xiàn)，姿姿態(tài)誤差參參數(shù)是當(dāng)前前的估計姿姿態(tài)與目標(biāo)標(biāo)姿態(tài)之差差，是控制制器的輸入入部分，按按照設(shè)計規(guī)規(guī)律形成一一定的指令令信號，如如力矩指令令，驅(qū)動執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生力矩指指令，減小小誤差，直直至將姿態(tài)態(tài)誤差減小小到零115。PID控制制規(guī)律PID控制制方法可以以說

38、是最經(jīng)經(jīng)典最常見見的衛(wèi)星姿姿態(tài)控制方方法。雖然然目前很多多新的控制制方法出現(xiàn)現(xiàn)了，但是是PID控制制方法在衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)中中仍然占有有非常重要要的地位。目前，三三軸穩(wěn)定衛(wèi)衛(wèi)星的姿態(tài)態(tài)控制基本本上都采用用PID控制制方法，PP代表比例例信號是最最基本信號號，起到放放大誤差信信號作用；D代表微分分信號，由由于微分信信號的引入入可以提高高系統(tǒng)的帶帶寬，并且且加快系統(tǒng)統(tǒng)的響應(yīng)速速度，加速速的消除誤誤差，但伴伴隨著這些些優(yōu)點(diǎn)也帶帶來了一些些問題。例例如，對于于外來的干干擾系統(tǒng)較較為敏感等等；I代表著積積分信號，它它可以提高高系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)精度，可可以解決微微分信號所所帶來的問問題。只要要通過適當(dāng)當(dāng)?shù)?/p>

39、選擇相相應(yīng)的系數(shù)數(shù)就可以保保證系統(tǒng)具具有良好的的動態(tài)性能能和控制精精度。為了了提高控制制精度改善善控制性能能，PIDD控制器的的產(chǎn)生了許許多先進(jìn)的的改進(jìn)形式式，如自學(xué)學(xué)習(xí)PIDD控制器，自自適應(yīng)PIID控制器器，自整定定PID控控制器等。模糊邏輯控控制器116同一個模糊糊控制器可可以應(yīng)用在在不同的系系統(tǒng)模型里里，因為其其對被控參參數(shù)適應(yīng)性性很強(qiáng)，而而且不依賴賴被控模型型就可以設(shè)設(shè)計控制器器?；谝砸陨显?，模模糊控制器器應(yīng)用越來來越廣泛。以下是模模糊控制器器的設(shè)計過過程：1)選擇模模糊控制器器的輸入為為誤差及其其變化，對對于本文選選擇輸入為為俯仰角、滾動角和和偏航角，輸輸出以飛輪輪為執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)

40、的輸出出力矩。2)確定控控制器的輸輸入和輸出出所隸屬的的函數(shù)。分分別確定模模糊化的方方法和解模模糊的方法法，重心法法是目前較較為常用的的模糊化及及解模糊的的方法。3)模糊規(guī)規(guī)則的設(shè)計計：首先選選擇輸入和和輸出的變變量詞集，然然后完成模模糊變量子子集的定義義以及模糊糊控制規(guī)則則的設(shè)計。模糊控制制規(guī)則格式式為：“If ee is x annd c is yy,theen u is zz”其中“x”“y”“z”分別為輸輸入變量模模糊語言和和輸出變量量模糊語言言。這里模模糊規(guī)則確確定為：。（3）變結(jié)結(jié)構(gòu)控制規(guī)規(guī)律變結(jié)構(gòu)控制制規(guī)律是非非線性控制制的一類特特殊情況，系系統(tǒng)擁有不不固定的結(jié)結(jié)構(gòu)是它不不同于其

41、他他控制的特特別之處，對對系統(tǒng)的干干擾具有魯魯棒性是其其最大的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。衛(wèi)星星在空間做做大角度機(jī)機(jī)動運(yùn)行時時，某些系系統(tǒng)參數(shù)（星星體慣量、干擾力矩矩變化等）不不能確定，解解決此類非非線性問題題一般選用用變結(jié)構(gòu)控控制。例如如Vadaali針對對剛體衛(wèi)星星的大角度度機(jī)動控制制提出了全全局變結(jié)構(gòu)構(gòu)控制算法法17。（4）魯棒棒控制規(guī)律律將系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定性及可可靠性放在在第一位時時，一般選選用魯棒控控制規(guī)律，魯魯棒控制只只需要一定定的離線辨辨識，對過過程模型的的精確性無無嚴(yán)格要求求，但要求求過程的動動態(tài)特性已已知，且可可以預(yù)估不不確定因素素的變化范范圍。對于于某些穩(wěn)定定裕度比較較小，但不不確定因素素卻有較大

42、大范圍變化化的系統(tǒng)，一一般選用魯魯棒控制。哈勃望遠(yuǎn)遠(yuǎn)鏡的指向向控制應(yīng)用用的就是魯魯棒控制、航天飛機(jī)機(jī)、和衛(wèi)星的控控制實驗18。 由一般般情況下于于魯棒控制制系統(tǒng)工作作在非最優(yōu)優(yōu)狀態(tài)，所所以控制系系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)態(tài)精度會比比較差。目目前，研究究最熱門的的魯棒控制制器階數(shù)偏偏高199?；谟谝陨先秉c(diǎn)點(diǎn)人們會謹(jǐn)謹(jǐn)慎考慮魯魯棒控制方方法是否是是最適合衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制方法。PID控制制規(guī)律是一一種非常經(jīng)經(jīng)典的控制制的方式，比比例控制PP是最基本本的控制信信號，微分分有助于提提高系統(tǒng)的的動態(tài)響應(yīng)應(yīng)速度，使使消除誤差差加快，但但是它帶來來的消極的的一個方面面是對于外外干擾力矩矩比較敏感感，常常會會放大外干干擾力矩

43、的的作用的效效果。積分分環(huán)節(jié)就可可以改善系系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)態(tài)精確度，但但是又會延延長了相應(yīng)應(yīng)的時間。合理的去去選擇比例例、微分與與積分系數(shù)數(shù)就可以使使系統(tǒng)的動動態(tài)特性與與穩(wěn)態(tài)精確確度都達(dá)到到要求。PPID控制制規(guī)律的一一個巨大的的優(yōu)點(diǎn)就是是算法簡單單并且容易易實現(xiàn)，所所以很多衛(wèi)衛(wèi)星都會去去使用這種種控制規(guī)律律，例如美美國的Laandsaat衛(wèi)星，英英國的CAATSATT衛(wèi)星，美美國的HCCMM衛(wèi)星星，美國的的SEASSAT衛(wèi)星星等等?，F(xiàn)現(xiàn)在隨著先先進(jìn)理論與與技術(shù)的發(fā)發(fā)展，又出出現(xiàn)了自適適應(yīng)PIDD，模糊PIID，自學(xué)學(xué)習(xí)PIDD等改進(jìn)的的PID的控控制方法，又又進(jìn)一步的的提高了衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制的精確

44、確度。如果通過控控制力矩來來區(qū)別控制制器，大體體有：(1)被動動式：使用用天然的扭扭矩或物理理力源的被被動控制系系統(tǒng)。無需需電源和線線路控制。自旋穩(wěn)定定，環(huán)境扭扭力穩(wěn)定，適適用于任務(wù)務(wù)的指向精精度的媒介介。航天器器多使用這這種姿態(tài)測測試其控制制的結(jié)合。(2)主動動式：航天天器上的能能量的有源源控制系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成的扭扭矩的控制制系統(tǒng)。這這種基本配配備姿態(tài)傳傳感器和執(zhí)執(zhí)行器自由由的控制每每一度，以以及邏輯電電路的應(yīng)用用得到很好好的控制，該該衛(wèi)星本體體坐標(biāo)軸相相對于參考考方位有其其控制性。目前，應(yīng)應(yīng)用衛(wèi)星和和科學(xué)衛(wèi)星星絕大部分分都采用了了這種姿態(tài)態(tài)控制系統(tǒng)統(tǒng)。這是姿姿態(tài)控制的的主要方式式，是基于于磁飛輪

45、驅(qū)驅(qū)動力矩控控制的姿態(tài)態(tài)控制系統(tǒng)統(tǒng)。1.2.44 衛(wèi)星姿姿態(tài)控制系系統(tǒng)的研究究前景 與其說姿姿態(tài)控制系系統(tǒng)的精度度決定了衛(wèi)衛(wèi)星的在軌軌精度，不不如先關(guān)注注位置測量量的精度，這這在更高的的層面對其其精度提出出要求。提提高衛(wèi)星姿姿態(tài)精度重重點(diǎn)是如何何提高運(yùn)行行過程中其其監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)的精度。國內(nèi)外已已將高精度度的微小的的光敏感和和的反作用用輪作為研研究的重點(diǎn)點(diǎn)，并取得得了一定的的精度要求求，達(dá)到不不同的衛(wèi)星星姿態(tài)控制制系統(tǒng)的架架構(gòu)解決方方案。在控控制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計方面，許許多國家控控制方法都都不能達(dá)到到很高的穩(wěn)穩(wěn)定性和指指向精確性性，需要進(jìn)進(jìn)一步地研研究控制系系統(tǒng)方法本本身。進(jìn)行高精度度調(diào)節(jié)是衛(wèi)衛(wèi)星控制的

46、的關(guān)鍵所在在20。但衛(wèi)星星在這種情情況下，致致動器，傳傳感器和衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制等硬件件精度的非非理想特性性的影響是是非常重要要的，人們們?yōu)榇颂岢龀鼍艿脑O(shè)設(shè)計思路：軟件用來來克服補(bǔ)償償硬件的固固有缺陷的的想法。從從而提高精精確度，同同時降低，實實現(xiàn)整體的的精度要求求的硬件要要求和衛(wèi)星星的數(shù)目相相對技術(shù)性性能的目的的。本文將對地地定向主動動三軸穩(wěn)定定衛(wèi)星作為為研究對象象。此類衛(wèi)衛(wèi)星國內(nèi)外外研究性狀狀如下表11-2所示示：表1-2衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)組組成及精度度衛(wèi)星Landssat-DD美國MOS日本本SPOT法法國FY-1CC中國姿態(tài)敏感器器陀螺（6）紅外地平儀儀（2）星敏感器（22）精太陽敏

47、感感器（4）磁強(qiáng)計（33）陀螺（4）紅外地平儀儀（2）精太陽敏感感器（4）陀螺（6）星敏感器（11）紅外地平儀儀（2）精太陽敏感感器（4）陀螺（6）紅外地平儀儀（2）精太陽敏感感器（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)RW(4)磁力矩器（33）推力器（22套）MW（2）磁力矩器（33）推力器（22套）RW(3)磁力矩器（33）推力器（22套）RW(3)磁力矩器（33）推力器（22套備份11套）穩(wěn)態(tài)控制方方式4輪均是偏偏置工作，構(gòu)構(gòu)成整星零零動量；磁磁卸載2輪V型安安裝以偏置置動量方式式控制3輪以反作作用輪狀態(tài)態(tài)工作；磁磁卸載偏置動量方方式控制控制精度指向精度0.030.61.0（偏航）0.150.81.2（偏航）穩(wěn)定

48、度俯仰滾動偏航1.3 本本論文的主主要研究內(nèi)內(nèi)容 本本文的主要要任務(wù)是：建立衛(wèi)星星姿態(tài)控制制系統(tǒng)的數(shù)數(shù)學(xué)模型和和仿真模型型，針對所所建立的模模型進(jìn)行控控制系統(tǒng)的的設(shè)計。本本文的主要要內(nèi)容安排排如下:第一章：緒緒論。主要要介紹了衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)確確定系統(tǒng)和和控制的研研究現(xiàn)狀和和幾種常用用的衛(wèi)星姿姿態(tài)控制規(guī)規(guī)律。第二章：衛(wèi)衛(wèi)星姿控系系統(tǒng)建模。首先確立立了描述衛(wèi)衛(wèi)星所需要要用到的參參考坐標(biāo)系系，然后建建立參考坐坐標(biāo)系之間間的轉(zhuǎn)換關(guān)關(guān)系，并給給出了四元元數(shù)描述的的運(yùn)動學(xué)方方程，最后后利用剛體體建模的方方法，推導(dǎo)導(dǎo)出了相應(yīng)應(yīng)的衛(wèi)星動動力學(xué)方程程。這樣就就描述了衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)的的數(shù)學(xué)模型型。第三章：姿姿態(tài)

49、控制PPID控制制算法設(shè)計計。采用PPID控制制方法進(jìn)行行控制系統(tǒng)統(tǒng)的控制器器設(shè)計。第四章：基基于Mattlab/Simuulinkk建模和仿仿真。驗證證PID控控制器的有有效性。結(jié)論：總結(jié)結(jié)全文并指指出下一步步工作。第二章 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)建模 第二章 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)建模 第二章 衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)建建模2.1 零零動量輪控控制系統(tǒng)零動量系統(tǒng)統(tǒng)在整個衛(wèi)衛(wèi)星的正常常狀態(tài)的系系統(tǒng)的總動動量為零。對姿態(tài)穩(wěn)穩(wěn)定的要求求很高時多多使用零動動量系統(tǒng)。在零動量量系統(tǒng)中，飛輪配置構(gòu)成有兩種種典型形式式，主要取取決于車輪輪速度零摩摩擦力矩突突變值的大小。如如果車輪速速度零摩擦擦力矩突變變值低于千千分之幾牛

50、牛米，從而而姿態(tài)的穩(wěn)穩(wěn)定性不產(chǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的的瞬態(tài)效應(yīng)應(yīng)，則可將將反作用輪輪在衛(wèi)星本本體坐標(biāo)系系上各安裝裝一個。另另一種結(jié)構(gòu)構(gòu)是軸上安安裝一個偏偏置動量輪輪，一般的的偏移值是是相同的，在在合成動量量偏移數(shù)值值相反方向向的動量輪輪的合成反反向，所以以致使整星星在額定狀狀態(tài)處于零動量量。只要偏偏差值和閾閾值選擇卸卸載，在整整個運(yùn)行過過程中三個個正交的輪輪在角動量量不過零并且卸載載次數(shù)少，則則此時斜裝裝輪工作的的狀態(tài)為恒恒定動量態(tài)態(tài)。零動量輪的的安裝有幾幾種類型。在系統(tǒng)的的性能指標(biāo)標(biāo)統(tǒng)一的前前提條件下下，必須考考慮飛輪動動力消耗，抗干擾能力和控制精度，才能取得實際的工程應(yīng)用價值。飛輪作為在衛(wèi)星穩(wěn)態(tài)飛行過

51、程中的主執(zhí)行機(jī)構(gòu)，衛(wèi)星的控制精度也收到它的精度和硬件性能的影響，所以我們必須考慮各種非理想因素，這些因素影響著飛輪的控制精度，如工作死區(qū)，摩擦等。本文是建立立在零動量量輪模型上上進(jìn)行研究究。(1)執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的系系統(tǒng)建模執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的組成有三三個正交的的反作用飛飛輪組成的的21。除了電電動機(jī)的驅(qū)驅(qū)動力矩是是受到轉(zhuǎn)動動部件摩擦擦力矩，阻阻力扭矩和和非平衡扭扭矩等，它它的機(jī)理相相當(dāng)復(fù)雜。轉(zhuǎn)矩控制制輪轉(zhuǎn)動，同同時轉(zhuǎn)矩被被實時的進(jìn)進(jìn)行控制調(diào)調(diào)整。姿態(tài)態(tài)控制裝置置，控制扭扭矩是由多多個力矩共共同作用而而成，表達(dá)達(dá)式如下： （22.1）式中：-星體受到到的實際控控制力矩；-偏差相關(guān)關(guān)控制力矩矩；-摩擦力矩矩；

52、-氣動阻力力力矩；-動不平衡衡力矩。 其中： 干擾力矩模模型的建立立探測姿態(tài)控控制和穩(wěn)定定擾動轉(zhuǎn)矩矩是建立在在檢測器的的指向精度度之上的22。下面我們們來分別介介紹一些主主要的干擾擾力矩。重力梯度度力矩重力梯度力力矩的表達(dá)達(dá)式為： （22.2）其中：-整星慣量量；-軌道角速速度；-星地之間間的矢量。當(dāng)衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)角是小的的，在球場場上的態(tài)度度重力梯度度力矩，在在橫擺姿態(tài)態(tài)的影響是是非常小的的，滾動軸軸具有恒定定的最大干干擾。太陽光壓壓力矩當(dāng)衛(wèi)星質(zhì)量量中心與太太陽的壓力力中心不匹匹配時，力力學(xué)方程為為： （2.3）太陽光壓力力矩 （22.4）式中：-太陽輻射射通量；-光速；-鏡面反射射系數(shù)；-漫射

53、系數(shù)數(shù)；-太陽光照照面積；-光壓力到到探測器的的距離。氣動力矩矩氣動扭矩產(chǎn)產(chǎn)生是大氣氣產(chǎn)生的，衛(wèi)衛(wèi)星氣動扭扭矩的主要要阻尼扭矩矩低于衛(wèi)星星軌道高時時。其表達(dá)達(dá)式如下： （22.5）其中：-星體受到到的氣動阻阻力；-星體相對對大氣的速速度；-氣動阻尼尼系數(shù)，一一般可取22-2.22；-所在大氣氣層平均空空氣密度；-星體迎流流面面積；-氣動力作作用力臂。2.2 衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)運(yùn)運(yùn)動學(xué)模型型我們討論了了衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)運(yùn)動學(xué)建建模的主要要應(yīng)用，這這里的衛(wèi)星星姿態(tài)模型型不討論造造成運(yùn)動的的原因。但但是，通過過已知的模模型分析和和數(shù)學(xué)方程程式的推導(dǎo)導(dǎo)，使用歐歐拉角表達(dá)達(dá)的運(yùn)動學(xué)學(xué)公式存在在奇異性問問題。

54、為了了避免奇點(diǎn)點(diǎn)性問題，利利用數(shù)學(xué)方方法推導(dǎo)，得得出相對應(yīng)應(yīng)的描述姿姿態(tài)運(yùn)動學(xué)學(xué)方程。(1)歐拉拉角衛(wèi)星運(yùn)運(yùn)動學(xué)模型型7歐拉角表達(dá)達(dá)式： （2.66）其中依此類類推，矩陣陣已經(jīng)知道道的情況下下，歐拉角角表示為： （2.77）其中，代表表的和行列元素素。用字母來表表示衛(wèi)星方方向速度矢矢量233，以對對地坐標(biāo)系系作為參考考坐標(biāo)系來來進(jìn)行計算算。字母表表示角速度度行星運(yùn)行行軌跡的運(yùn)運(yùn)動參考系系相對于整整體的相對對位置的一一個分量。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)標(biāo)系的運(yùn)行行軌跡相對對于軌道的的角速度表表示為，其其運(yùn)動學(xué)方方程可以有有下面的公公式表示： （22.8） （22.9） （22.10）或者（2.111）其中， （2

55、.112） （2.113）小角度下可可表示為： （22.14）由這個矩陣陣表達(dá)式，我我們可以比比較明確地地看到，如如果的結(jié)果果為零的時時候，也就就是為900度的時候候系統(tǒng)運(yùn)動動學(xué)模型就就產(chǎn)生了干干擾現(xiàn)象。所以，如如果利用歐歐拉角來描描述系統(tǒng)的的在運(yùn)動過過程中的各各種參數(shù)和和軌跡。那那么我們就就必須至少少組建兩組組這樣的函函數(shù)關(guān)系來來描述系統(tǒng)統(tǒng)24。(2)四元元數(shù)衛(wèi)星運(yùn)運(yùn)動學(xué)模型型8如果衛(wèi)星的的方向矢量量為面，然然后它被原原來的參考考系相對于于慣性參考考系來推導(dǎo)導(dǎo)出，衛(wèi)星星的這個方方向的矢量量在主體部部件的參考考系可在表表達(dá)式中確確定：。假假設(shè)軌道轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動到星體體的向量為為，這樣我們們就可以表表達(dá)

56、運(yùn)動學(xué)學(xué)四元法系系統(tǒng)，其表表達(dá)公式為為： （22.15）進(jìn)一步列出出它的矩陣陣形式如下下： （22.16）根據(jù)其定義義，將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣表示示為： （2.117）這兩個參數(shù)數(shù)間的關(guān)系系式如下： (22.18）或者表示為為： （22.19）小角度情況況下： （2.220）2.3 衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)動動力學(xué)模型型姿態(tài)動力學(xué)學(xué)是扭矩和和旋轉(zhuǎn)參數(shù)數(shù)，例如：方向角，此此方向的速速度和達(dá)到到既定速度度所需要的的時間，也也就是加速速度，本體體運(yùn)動的特特征向量，運(yùn)運(yùn)動之間的的運(yùn)動關(guān)系系。利用三三個正交的的轉(zhuǎn)動輪，作作為執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的動態(tài)態(tài)模型，以以動量矩定定理作為基基礎(chǔ)。根據(jù)角動量量定理有： （22.21）其中：

57、-星體質(zhì)心心角動量-衛(wèi)星質(zhì)心心力矩總和和進(jìn)一步簡化化計算，固固定其參考考坐標(biāo)系為為本體坐標(biāo)標(biāo)，對其公公式進(jìn)行求求導(dǎo)： （2.222）星體所受到到動量總和和可以表示示為： （22.23）-星體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零旋旋轉(zhuǎn)狀況下下的動量。-旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)與衛(wèi)星的的相對動量量。則，其動力力學(xué)方程為為： （22.24）將上式展開開可得： （22.25）當(dāng)條件下， 代入公式式中。簡化為下式式： （2.26）假設(shè)星體向向速度為，飛飛輪機(jī)構(gòu)相相對于系統(tǒng)統(tǒng)的向速度度就可以表表示為這個個表達(dá)式，系系統(tǒng)與飛輪輪機(jī)構(gòu)對點(diǎn)點(diǎn)的總的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量可可以表示為為，表示系系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動動慣量為，飛飛輪機(jī)構(gòu)相相對于系統(tǒng)統(tǒng)質(zhì)心的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量表表示為，

58、那那么的矩陣陣表達(dá)式如如式2.227所示： （2.27）總動量距用用下式表達(dá)達(dá)： （22.28）即： （22.29）在以上的表表達(dá)式中： （22.30）表示的是飛飛輪機(jī)構(gòu)控控制力矩，也也就是安裝裝在這個軸軸上的馬達(dá)達(dá)的控制力力矩，表示示的是外部部干擾力矩矩。星體慣量矩矩陣： （22.31）飛輪慣量矩矩陣為： （22.32）以上的表達(dá)達(dá)式就可以以表示以三三個正交輪輪作為系統(tǒng)統(tǒng)控制的動動力學(xué)模型型。2.4 建建立執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)學(xué)模型在進(jìn)行衛(wèi)星星姿態(tài)的研研究時，我我們必須首首先要有一一個空間參參考系的選選擇，沒有有參考坐標(biāo)標(biāo)將永遠(yuǎn)無無法描述衛(wèi)衛(wèi)星的姿態(tài)態(tài)。其中之之一為空間間參考系，另另外一套坐坐標(biāo)

59、系可以以用固定在在衛(wèi)星星體體的參考系系25。（1）星體體坐標(biāo)系星體坐標(biāo)系系是一個正正交坐標(biāo)系系，它的原原點(diǎn)在衛(wèi)星星質(zhì)心上，三三個坐標(biāo)軸軸和星體主主量軸一致致。（2）質(zhì)心心軌道坐標(biāo)標(biāo)系質(zhì)心軌道坐坐標(biāo)系其原原點(diǎn)在衛(wèi)星星的質(zhì)心上上，衛(wèi)星的的軌道平面面是坐標(biāo)平平面，由質(zhì)質(zhì)心指向地地心的坐標(biāo)標(biāo)軸是軸，軸在軌軌道平面上上與軸垂直直，指向衛(wèi)衛(wèi)星速度方方向,軸與與、軸組成右右手正交坐坐標(biāo)系，且且與軌道平平面的法線線平行。衛(wèi)星質(zhì)心軌軌道坐標(biāo)系系在空間中中是旋轉(zhuǎn)的的，對地定定向的三軸軸穩(wěn)定衛(wèi)星星的姿態(tài)定定義在此坐坐標(biāo)系中（一一般簡稱軌軌道坐標(biāo)系系）。通常常，分別稱稱、軸為滾動動軸、俯仰仰軸、偏航航軸。當(dāng)星星體坐標(biāo)

60、系系和軌道坐坐標(biāo)系重合合時，衛(wèi)星星姿態(tài)誤差差為零，因因此相應(yīng)的的、軸稱為星星體滾動軸軸、俯仰軸軸和偏航軸軸。（3）地心心軌道坐標(biāo)標(biāo)系地心軌道坐坐標(biāo)系原點(diǎn)點(diǎn)在地心，軸沿衛(wèi)星的位置矢量方向，軸與軌道平面法線一致，軸和、軸正交，顯然軸與軌道坐標(biāo)系軸共線，但方向相反。（4）地球球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系系原點(diǎn)在地地心，軸在在地球赤道道平面內(nèi)指指向格林尼尼治子午線線，軸與地地球自轉(zhuǎn)軸軸一致，軸軸與、軸組成右右手正交坐坐標(biāo)系，此此坐標(biāo)系和和地球固連連在一起旋旋轉(zhuǎn)，也稱稱地球固連連坐標(biāo)系。（5）赤道道慣性坐標(biāo)標(biāo)系赤道慣性坐坐標(biāo)系原點(diǎn)點(diǎn)在地心，軸指向春分點(diǎn)，軸平行于地球的自旋軸，,軸構(gòu)成慣性坐標(biāo)系，一般情況下將坐標(biāo)系