基于磁控及角速率估计的微卫星姿态稳定研究.pdfVIP

基于磁控及角速率估计的微卫星姿态稳定研究1 刘海颖，王惠南，陈志明，吴海亮 南京航空航天大学自动化学院，江苏南京（210016 ） E-mail：nuaalhy@ 摘 要：本文提出了一种采用偏置动量轮和磁力矩器进行微卫星三轴姿态稳定控制的方法， 同时基于星敏感器，给出了一种无陀螺测量的角速率估计技术。推导了在引力梯度及其它干 扰下偏置动量轮卫星运动方程，根据磁场随轨道周期变化将时变系统转化为时不变系统，应 用常系数LQR法设计最优反馈控制律。仿真结果表明，直接采用磁力矩器进行控制要比动量 轮控制效果好，应用本文的控制方法，可以采用常速动量轮，从而避免动量阻尼以及饱和卸 载。姿态确定系统，应用轨道模型提供参考欧拉角，在一个卡尔曼滤波器里，针对俯仰通道 以及滚动-偏航通道采用两个线性模型，应用最优控制律提供反馈控制，该新方法能简单有 效地估计姿态信息。 关键词：微卫星，三轴稳定，姿态控制，磁力矩器，角速率估计 中图分类号：V474 1. 引 言 微卫星的研制已经成为航天领域的热点，姿态确定与控制系统是其核心。由于微卫星重 量和功率的限制，在保证姿态控制精度的情况下，需要尽可能地减少不必要的姿态敏感器及 控制执行部件。偏置动量轮结构简单，采用一个偏置动量轮就可以实现三轴稳定控制。磁力 矩器具有成本低、重量轻及可靠性高等优点，广泛地应用于微卫星姿态系统，但以往主要作 用只是消除章动或给动量轮去饱和，很少直接进行三轴稳定控制。近年来国际上对直接使用 磁力矩器姿态控制进行了一定研究，设计了不同磁控制律如PID 控制[1]、滑模控制[2]等， 研究最多的为周期时变 LQR[3 ，4 ，5]控制，但该方法设计复杂，计算量大，对非线性系统 还要考虑鲁棒性，大多数论文讨论的执行机构仅仅使用磁力矩器，而且卫星轨道为极地轨道。 姿态系统中理想的角速度敏感器是陀螺，但陀螺性能会随着时间恶化，价格昂贵而且配 置复杂。因此不采用陀螺，仅利用姿态角敏感器，估计姿态角速度的技术受到了广泛关注， 如采用双矢量观测的QUEST 法[6]，单矢量的预测滤波法[7]等。目前星传感器精度能达到6 角秒，是微卫星姿态敏感器的理想器件，但星敏 感器提供欧拉角或四元数的姿态信息，不能直接 星敏感器 卡尔曼滤波 磁力矩器 地球敏感器 给出角速度，所以研究使用星敏感器得到全部姿 磁强计 角速率估计 GPS 态信息[8，9，10]有重要意义。 卫星姿态动 偏置动量轮 态控制系统 本文设计的微卫星姿态控制系统如图 1 所 示，在俯仰轴上安装一个偏置动量轮来提供姿态 空间环境 引力梯度 太阳光压 动力系统 稳定，用三轴磁力矩器直接进行姿态控制。姿态 气动力矩 敏感器不使用速率陀螺，而采用低成本的三轴磁 图1 卫星姿态测量与控制系统 强计、地球敏感器、星敏感器以及 GPS 接收机。磁强计用来测量地球磁场，同时提供的粗 略姿态信息可以用于星箭分离后姿态初始捕获，初步对准后地球敏感器提供主要姿态信息， 而星敏感器可以在整个姿态确定中使用，而且可以提供地球敏感器不能测量的偏航信息。 GPS 接收机主要用于定位，当然也可以使用近年来发展的GPS 测姿算法提供辅助姿态信息。 1 本课题得到教育部