基于單框控制力矩陀螺的敏捷小衛(wèi)星姿態(tài)機動控制研究.pdf

1、敏捷小衛(wèi)星具有比常規(guī)小衛(wèi)星至少高一個數(shù)量級的快速機動能力，該敏捷機動能力是很多軍事或商業(yè)任務(wù)如空間監(jiān)視、高精度對地觀測的要求，為了實現(xiàn)該類小衛(wèi)星的大角度快速機動，單框架控制力矩陀螺（SGCMG）系統(tǒng)因具有力矩放大能力和低功耗等優(yōu)點而成為其姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）執(zhí)行機構(gòu)的理想選擇。但是SGCMG的框架轉(zhuǎn)動將使得衛(wèi)星慣性矩陣隨之變化，給ACS建模增加了難度，同時 SGCMG系統(tǒng)固有的奇異問題在像金字塔這樣的安裝構(gòu)型中表現(xiàn)尤為嚴(yán)重，為使執(zhí)行機

2、構(gòu)良好地跟蹤控制輸入既需要設(shè)計有效的SGCMG系統(tǒng)操縱律以克服其奇異問題，也需要設(shè)計高效的衛(wèi)星機動控制律以克服快速機動帶來的控制輸入過大等問題，本論文對這些問題均做了深入的研究：
　?。?）論述了衛(wèi)星姿態(tài)描述與姿態(tài)運動學(xué)方程，通過詳細(xì)推導(dǎo)，建立了更精確而實用的ACS動力學(xué)模型以及SGCMG力矩放大倍數(shù)公式，研究了SGCMG大小選型問題；本文與現(xiàn)有很多文獻處理方法不同，對于衛(wèi)星整星慣性矩陣中SGCMG系統(tǒng)相對于其自身質(zhì)心的慣性矩陣部

3、分沒有全部使用或全部忽略，而是分離了其中的非零常值分量與零均值周期分量，分別提出處理方法。
　　（2）針對SGCMG系統(tǒng)奇異問題，建立了系統(tǒng)各個奇異量之間的關(guān)系，并基于代數(shù)與微分幾何的思想和方法，研究了系統(tǒng)角動量奇異面以及框架角空間奇異面，推導(dǎo)角動量奇異面的幾何特征量表達(dá)式，同時在前人研究的基礎(chǔ)上，完整推導(dǎo)了系統(tǒng)奇異時框架角速率空間之子空間的基，利用系統(tǒng)雅可比矩陣零空間基研究了基于零運動的系統(tǒng)奇異狀態(tài)可脫離性，歸納了可脫離的兩個必

4、要條件。通過以三平行構(gòu)型SGCMG系統(tǒng)為例驗證了諸多理論結(jié)果。
　?。?）對現(xiàn)有SGCMG操縱律作了簡要分類歸納，研究了典型的框架角速率操縱律并分析了其中存在的缺點與問題，為克服操縱律中存在的框架“鎖死”，基于奇異值分解（SVD）理論提出了一種新的改進奇異方向回避（SDA）操縱律，并研究了其參數(shù)整定方法，仿真結(jié)果顯示了該操縱律的有效性。
　?。?）以再定向大角度機動為例，研究了傳統(tǒng)的四元數(shù)反饋機動控制律，發(fā)現(xiàn)其普遍存在控制力