文档介绍：硕士学位论文 
 
基于单框控制力矩陀螺的敏捷小卫星姿态机
动控制研究
 
RESEARCH ON ATTITUDE MANEUVERS
CONTROL OF SGCMG BASED AGILE SMALL
SATELLITE
 
何昱
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
哈尔滨工业大学 
2011 年 6 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学硕士学位论文
基于单框控制力矩陀螺的敏捷小卫星姿态
机动控制研究
硕士研究生:何昱
导师:曾鸣教授
申请学位:工学硕士
学科:控制科学与工程
所在单位:航天学院
答辩日期:2011 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
:
Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON ATTITUDE MANEUVERS
CONTROL OF SGCMG BASED AGILE SMALL
SATELLITE
Candidate: He Yu
Supervisor: Prof. Zeng Ming
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: June, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
敏捷小卫星具有比常规小卫星至少高一个数量级的快速机动能力,该敏捷机
动能力是很多军事或商业任务如空间监视、高精度对地观测的要求,为了实现该
类小卫星的大角度快速机动,单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统因具有力矩放
大能力和低功耗等优点而成为其姿态控制系统(ACS)执行机构的理想选择。但
是 SGCMG 的框架转动将使得卫星惯性矩阵随之变化,给 ACS 建模增加了难度,
同时 SGCMG 系统固有的奇异问题在像金字塔这样的安装构型中表现尤为严重,
为使执行机构良好地跟踪控制输入既需要设计有效的 SGCMG 系统操纵律以克服
其奇异问题,也需要设计高效的卫星机动控制律以克服快速机动带来的控制输入
过大等问题,本论文对这些问题均做了深入的研究:
(1)论述了卫星姿态描述与姿态运动学方程,通过详细推导,建立了更精确
而实用的 ACS 动力学模型以及 SGCMG 力矩放大倍数公式,研究了 SGCMG 大小
选型问题;本文与现有很多文献处理方法不同,对于卫星整星惯性矩阵中 SGCMG
系统相对于其自身质心的惯性矩阵部分没有全部使用或全部忽略,而是分离了其
中的非零常值分量与零均值周期分量,分别提出处理方法。
(2)针对 SGCMG 系统奇异问题,建立了系统各个奇异量之间的关系,并基
于代数与微分几何的思想和方法,研究了系统角动量奇异面以及框架角空间奇异
面,推导角动量奇异面的几何特征量表达式,同时在前人研究的基础上,完整推
导了系统奇异时框架角速率空间之子空间的基,利用系统雅可比矩阵零空间基研
究了基于零运动的系统奇异状态可脱离性,归纳了可脱离的两个必要条件。通过
以三平行构型 SGCMG 系统为例验证了诸多理论结果。
(3)对现有 SGCMG 操纵律作了简要分类归纳,研究了典型的框架角速率操
纵律并分析了其中存在的缺点与问题,为克服操纵律中存在的框架“锁死”,基于
奇异值分解(SVD)理论提出了一种新的改进奇异方向回避(SDA)操纵律,并
研究了其参数整定方法,仿真结果显示了该操纵律的有效性。
(4)以再定向大角度机动为例,研究了传统的四元数反馈机动控制律,发现
其普遍存在控制力矩指令峰值过大、系统后半段收敛缓慢等缺点,为克服这些缺
点,基于反步法(Backstepping Design),应用变增益控制等思想,设计了一种新
的非线性反步机动控制律,并针对其参数较多的问题提出了参数整定方法,ACS
闭环仿真显示应用该控制律