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下一代重力卫星新型无拖曳与姿态控制系统研究

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1 引言

1.1 研究背景

1.2 卫星无拖曳与姿态控制系统概述

1.3 本文主要研究内容

2 卫星控制系统建模与仿真

2.1 本章简介

2.2 卫星轨道选择

2.3 卫星轨道运动数值仿真

2.4 卫星姿态运动建模

2.5 控制系统建模

2.6 本章小结

3 EMC控制及其在静电悬浮加速度计中的应用

3.1 本章简介

3.2 EMC控制基本原理

3.3 静电悬浮加速度计EMC控制设计

3.4 加速度计控制器闭环仿真

3.5 本章小结

4 基于EMC的无拖曳控制器设计与仿真

4.1 本章简介

4.2 无拖曳控制模式简介

4.3 不同配置任务的无拖曳控制仿真与分析

4.4 本章小结

5 基于EMC的姿态控制系统设计与仿真

5.1 本章简介

5.2 姿态控制目标

5.3 姿态控制系统结构

5.4 姿态控制参考坐标系生成

5.5 姿态控制器的设计

5.6 不同任务场景下参数调节与仿真分析

5.7 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录

附录A: 姿态四元素基本运算规则

附录B: EMC环路传递函数关系详细推导

附录C: 控制与仿真系统框图补充

攻读博士期间发表的论文

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摘要

低低跟踪地球重力卫星是长时间连续监测地球重力场变化的有力工具。距离第一代卫星GRACE的发射已过去15年,在此期间地球科学的研究对于可更快、更精确的地球重力场监测需求越来越高。随着测距技术的进步与卫星平台的发展,新一代低低跟踪重力卫星已进入规划与研发阶段。下一代卫星将更换更高精度的加速度计;使用激光干涉测距代替微波测距,使星间距测量精度从10μm提高至10 nm量级;采用无拖曳控制技术,可使卫星轨道从500 km降低至400 km以下的技术等,从而更精确、更迅速地观测全球重力场。新的空间任务设计给卫星控制系统提出了更高要求,其中包括:静电悬浮加速度计的内部控制性能需更接近于位移传感噪声本底;必须引入比例电推进与无拖曳系统提高平台超静水平;姿态控制精度需比老一代提高至少两个量级以满足激光指向需求。控制系统的设计除了需要满足上述苛刻的指标外还需保证:1)控制算法简明可靠;2)控制器和参数设计以频域性能为主要目标;3)设计结果需通过与真实环境和被控对象一致的数值仿真系统的检验。
  为了迎接以上挑战,本文首先介绍了下一代重力卫星的基本概况,然后对其所在的轨道、环境、姿态运动以及控制系统进行了建模,在此基础上设计可满足低轨重力卫星无拖曳与姿态控制系统性能验证的数值仿真平台。该平台不仅可同时仿真一对低低跟踪卫星各自的轨道与姿态运动,还可以计算双星的相对运动以及相对姿态坐标系。该平台可准确反映高阶地球重力场对卫星编队的扰动,并包含控制系统所有的传感器与执行机构的特性,为双星的无拖曳与姿态控制验证搭建了可靠的基础。
  为应对控制系统设计的挑战,本文使用了一种基于扰动估计与抑制的离散状态空间控制器框架:EMC(Embedded Model Control—模型嵌入控制)。引入非平滑优化的工具对EMC控制器参数优化进行基于H∞环路成型设计。摸索了一套有效的控制参数优化设计步骤,成功地在不改变EMC结构的基础上将设计准则从经典的极点配置转换到闭环传函的直接频域设计。此方法改进可快速地为EMC控制器设计出精确的闭环频域性能的控制参数列表。列表中参数对应的控制器具有类似的沿着频率轴平移的传递函数频域曲线,极大简化了控制器参数的现场调节过程,提高了EMC算法的实用性。
  接下来论文分析了下一代星载静电悬浮加速度计达到测量噪声目标对应的闭环控制性能需求。使用加速度计检验质量控制问题为例,列举了改进EMC控制器设计的方法与关键步骤,并依此方法得出了一套参数列表。在加速度计仿真系统的配合下对参数进行了实时仿真、频域性能分析以及较优选择建议。文中通过仿真系统对EMC控制器的优点作了充分阐述,演示了其在不同控制参数切换过程中可平滑过渡状态的优点,以及EMC特有的扰动估计输出作为加速度测量输出的低噪声特性。
  在卫星无拖曳控制设计前,首先介绍了两种无拖曳工作模式以及下一代重力卫星选择加速度计模式的优点。接着使用非平滑优化对无拖曳环路EMC控制器进行参数列表设计,然后结合前文建立的重力卫星控制系统仿真平台对控制参数进行验证与选择分析。无拖曳控制环路设计与分析的结果表明,在三种主要新一代重力卫星可能的卫星编队构型下,此优化控制系统可以很好地满足无拖曳控制的指标需求,达到3nm/s2/Hz1/2的残余加速度扰动水平。
  针对星间测距卫星的激光指向需求,论文最后设计了姿态控制系统的的完整结构,其包含了参考姿态坐标系生成器、姿态估计器环路与角加速度反馈环路等。文中在充分介绍了各个模块的关系与设计顺序后,然后分别使用EMC框架搭建整个控制系统。接着采用非平滑优化算法对各子模块的参数进行了精确调节,生成参数列表。最后利用卫星数值仿真平台对整个姿态控制在各个编队场景下的性能进行了仿真与分析。结果表明所设计的控制器可分别在三种主要编队下,使两个光束偏转自由度指向精度达到5μrad/Hz1/2的水平,满足了卫星激光干涉测量的姿态控制需求。通过数值仿真展示了引入角加速度进入姿态控制可有效地降低姿态环带宽,获得更平滑的控制力矩输出。本研究中所设计的控制器结构简单、物理意义明确、频域性能指标清晰,可直接用于下一代低低跟踪重力卫星的科学测量任务。

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