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

1、吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）承諾書 本科生畢業(yè)業(yè)論文（設(shè)設(shè)計(jì)）中文題目 衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì) 英文題目 The sateellitte atttituudeccontrrol ssysteemdeesignn 答辯組號(hào) 7 答辯辯序號(hào) 11 學(xué) 院 通信工工程學(xué)院 專 業(yè) 自動(dòng)化 吉林大學(xué)學(xué)學(xué)士學(xué)位論論文（設(shè)計(jì)計(jì)）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(jì)），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(shí)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)計(jì)、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(jì)）不不包含任何何其他個(gè)人人或集體已已經(jīng)發(fā)表或或撰寫的作作品成果。對(duì)本

2、人實(shí)實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)計(jì)中做出重重要貢獻(xiàn)的的個(gè)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(shí)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(duì)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(lái)越越重要，衛(wèi)衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)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(duì)對(duì)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(jì)，最最后搭建和和實(shí)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(gè)個(gè)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(dòng)動(dòng)力學(xué)模型型。 其其次，設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)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(jì)一個(gè)衛(wèi)衛(wèi)星最關(guān)鍵鍵的問(wèn)題就就是姿態(tài)控控制系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)，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(shí)時(shí)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(duì)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(lái)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(huì)的發(fā)展展，其認(rèn)知知領(lǐng)域和活活動(dòng)范圍已已經(jīng)無(wú)法局局限在地球球范圍內(nèi)了了，所以對(duì)對(duì)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(zhǎng)最最快的一個(gè)個(gè)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(guó)家的科科技水平，更更能夠反映映其國(guó)家的的綜合實(shí)力力。太空技技術(shù)的發(fā)展展促進(jìn)了現(xiàn)現(xiàn)代社會(huì)的的發(fā)展，對(duì)對(duì)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(shí)代代的進(jìn)步，科科學(xué)技術(shù)得得到了長(zhǎng)足足的發(fā)展。作為一個(gè)個(gè)可以衡量量國(guó)家科技技能力的航航天技術(shù)，逐逐漸受到各各國(guó)的重視視而成為了了重點(diǎn)發(fā)展展對(duì)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(lái)了了非常巨大大的社會(huì)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(cè)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(gè)國(guó)家的的軍事上的的實(shí)力和經(jīng)經(jīng)濟(jì)上的實(shí)實(shí)力的重要要標(biāo)志。我我國(guó)的航天天事業(yè)從建建國(guó)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(guó)發(fā)發(fā)射了第一一顆人造衛(wèi)衛(wèi)星“東方紅一一號(hào)”以來(lái)，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(cè)和自然然災(zāi)害預(yù)測(cè)測(cè)與天氣預(yù)預(yù)報(bào)以及軍軍事偵察中中得到了廣廣泛的應(yīng)用用。神州55號(hào)飛船的的發(fā)射成功功更是標(biāo)志志著我國(guó)的的航天事業(yè)業(yè)邁上了一一個(gè)新的臺(tái)臺(tái)階。航天天的業(yè)務(wù)中中的一個(gè)非非常重要的的組成部分分就是衛(wèi)星星，我國(guó)從從開(kāi)始到現(xiàn)現(xiàn)

14、在一直花花費(fèi)非常大大的精力對(duì)對(duì)它進(jìn)行研研究。衛(wèi)星星的設(shè)計(jì)中中的一個(gè)重重要的問(wèn)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(gè)衛(wèi)星相相對(duì)于某一一個(gè)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(cè)與與開(kāi)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(duì)對(duì)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(gè)個(gè)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(guò)姿態(tài)態(tài)敏感器的的測(cè)量信息息，去精確確的估計(jì)衛(wèi)衛(wèi)星的三軸軸姿態(tài)的信信息，一個(gè)個(gè)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(lái)更好好地對(duì)衛(wèi)星星進(jìn)行姿控控；另一個(gè)個(gè)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(duì)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(cè)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(jì)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(lái)來(lái)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(duì)陀陀螺的漂移移進(jìn)行校正正。順應(yīng)對(duì)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(shì)的的要求，對(duì)對(duì)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(lái)來(lái)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(guó)成成立之后，中中國(guó)的航天天事業(yè)創(chuàng)造造了一個(gè)又又一個(gè)的輝輝煌的成績(jī)績(jī)，這幾十十年來(lái)我國(guó)國(guó)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(guò)過(guò)利用星載載可見(jiàn)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(duì)地球觀觀測(cè)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(cè)、視點(diǎn)非常常高、可以以獲得大量量的對(duì)地觀觀測(cè)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(guó)家制制定環(huán)境保保護(hù)的策略略、資源的的開(kāi)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(guó)國(guó)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(cè)測(cè)繪、地圖圖的測(cè)繪、目標(biāo)點(diǎn)的的定位、電電站的選址址等許許多多多個(gè)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(zhǎng)長(zhǎng)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(duì)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(duì)于于參考坐標(biāo)標(biāo)系的姿態(tài)態(tài)的定位的的過(guò)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(guò)過(guò)程。近年年來(lái)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(duì)對(duì)衛(wèi)星姿控控的精確度度要求也變變得越來(lái)越越高4。比如，對(duì)對(duì)地球觀測(cè)測(cè)的衛(wèi)星的的指向精確確度從上個(gè)個(gè)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(lái)來(lái)了更快的的發(fā)展，同同時(shí)這也意意味它面臨臨著更多的的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星其實(shí)是是一個(gè)非常常精密的航航天器的設(shè)設(shè)備，并且且它的造價(jià)價(jià)非常的高高昂，一旦旦發(fā)射進(jìn)入入太空中就就很難對(duì)它它進(jìn)行維護(hù)護(hù)，這對(duì)衛(wèi)衛(wèi)星研發(fā)工工作帶來(lái)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(shí)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(duì)它進(jìn)進(jìn)行非常全全面的物理理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，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(shí)際因因素，并且且對(duì)衛(wèi)星在在軌道運(yùn)行

20、行時(shí)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(lái)驗(yàn)證證衛(wèi)星設(shè)計(jì)計(jì)工作的可可行性以及及它的穩(wěn)定定性。以仿仿真實(shí)驗(yàn)作作為基礎(chǔ)，作作為指導(dǎo)衛(wèi)衛(wèi)星的實(shí)際際研發(fā)工作作的一個(gè)參參考。姿態(tài)控制系系統(tǒng)（Atttituude CContrrol SSysteem,簡(jiǎn)稱稱ASC）在在衛(wèi)星技術(shù)術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)過(guò)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(zhǎng)壽壽命、高可可靠的衛(wèi)星星成為發(fā)展展趨勢(shì)。所所以，高精精度衛(wèi)星姿姿態(tài)控制技技術(shù)是時(shí)下下研究的熱熱門課題，它它迎來(lái)更快快發(fā)展的同同時(shí)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(jì)了合合理的控制制規(guī)律對(duì)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(duì)衛(wèi)星星的研究開(kāi)開(kāi)始于二十十世紀(jì)800代。那時(shí)時(shí)，一個(gè)英英國(guó)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(guò)努力將將世界上第第一個(gè)使用用微處理器器公斤級(jí)衛(wèi)衛(wèi)星研制成成功，并隨隨著美國(guó)的的三角洲火火箭成功地地?cái)y帶進(jìn)入入太空軌道道，這也開(kāi)開(kāi)啟了一個(gè)個(gè)新的衛(wèi)星星時(shí)代。 對(duì)對(duì)于衛(wèi)星的的制造方面面，有兩項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)是起起著決定性性的作用的的，第一項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)是衛(wèi)衛(wèi)星控制系系統(tǒng)，第二二項(xiàng)技術(shù)為為姿態(tài)確定定系統(tǒng)。這這兩項(xiàng)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(shí)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(dòng)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(duì)對(duì)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(shí)實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)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(dòng)了了其現(xiàn)實(shí)條條件下的使使用價(jià)值。在此之后后，三軸穩(wěn)穩(wěn)定衛(wèi)星逐逐漸從被動(dòng)動(dòng)控制到主主動(dòng)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(cè)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(guó)際上上在科學(xué)研研究和成果果的地球引引力已經(jīng)實(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)相相應(yīng)的捕獲獲，而且在在很多星體體上得到了了實(shí)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(guó)月球探探測(cè)器：克克萊門汀星星敏感器就就是由勞倫倫斯Livvemorre國(guó)家實(shí)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)發(fā)的，精確確度相當(dāng)?shù)牡母撸仪抑亓恳膊徊坏桨牍锝镏?。如果果以上述硬硬件組裝的的測(cè)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(dòng)動(dòng)器，正交交方式安裝裝在方向軸軸上，整個(gè)個(gè)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(guó)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(guó)、南南非和美國(guó)國(guó)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(guò)精確控控制多個(gè)衛(wèi)衛(wèi)星國(guó)外，再再加上衛(wèi)星星的集成一一般的組合合跟蹤整個(gè)個(gè)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(cè)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(duì)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(duì)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(yáng)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?yàn)榛鶞?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(chǎng)為為基準(zhǔn)方位位：磁強(qiáng)計(jì)計(jì)等。 姿態(tài)敏感感器一般由由信號(hào)處理理線路和測(cè)測(cè)量變換器器兩部分組組成，按不不同方式的的測(cè)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(wú)線電敏感感器：射頻頻敏感器等等；光學(xué)敏感器器：太陽(yáng)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(jì)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(wú)活動(dòng)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(chǎng)較小，對(duì)對(duì)環(huán)境要求求高，要防防止太陽(yáng)等等雜光干擾擾地球敏感器器信號(hào)強(qiáng)、分分析方便、輪廓分明明，適合對(duì)對(duì)地飛行的的近地軌道道一般需要活活動(dòng)掃描機(jī)機(jī)構(gòu)，易受受太陽(yáng)等干干擾太陽(yáng)敏感器器信號(hào)源強(qiáng)、視場(chǎng)大、輪廓清晰晰、質(zhì)量輕輕、功耗低低陰影區(qū)無(wú)有有效信號(hào)輸輸出陀螺精度高、動(dòng)動(dòng)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(duì)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(jì)成本低、功功耗低、對(duì)對(duì)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(gè)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(lái)測(cè)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(chǎng)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(gè)紅外地地平儀+數(shù)數(shù)字太陽(yáng)敏敏感器+磁磁強(qiáng)計(jì)，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(guò)某種算算法處理姿姿態(tài)敏感器器所測(cè)量的的數(shù)據(jù)誤差差，估計(jì)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(yáng)敏感器器無(wú)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(lái)測(cè)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(jì)和和確定性方方法。狀態(tài)估計(jì)方方法運(yùn)用姿姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)或者動(dòng)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(jì)法能夠夠提供統(tǒng)計(jì)計(jì)最優(yōu)解，且且被估計(jì)量量不僅限于于姿態(tài)參數(shù)數(shù)，參考矢矢量、觀測(cè)測(cè)矢量中的的一些不確確定參數(shù)也也可列入被被估計(jì)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。現(xiàn)今應(yīng)應(yīng)用比較廣廣泛的狀態(tài)態(tài)估計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)。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(cè)測(cè)濾波等方方法。確定性算法法要求較高高的測(cè)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(jì)計(jì)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(cè)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(gè)個(gè)非平行矢矢量測(cè)量值值確定姿態(tài)態(tài)矩陣，但但是它沒(méi)有有用到全部部的測(cè)量信信息，只能能對(duì)兩個(gè)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(jì)法法,（FOAAM)四元元數(shù)估計(jì)法法,（QUAAST)歐歐拉軸/角角估計(jì)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(duì)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(yáng)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(wú)法法運(yùn)行那么么長(zhǎng)的時(shí)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(shí)，就就需要借助助噴氣系統(tǒng)統(tǒng)或者是磁磁力器對(duì)其其進(jìn)行卸載載。飛輪通過(guò)動(dòng)動(dòng)量交換的的方式來(lái)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(dòng)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(dòng)動(dòng)量系統(tǒng)與與整星偏置置動(dòng)量系統(tǒng)統(tǒng)這兩種。(1)整星星零動(dòng)量系系統(tǒng)整

33、星零動(dòng)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(dòng)量在在標(biāo)稱的情情況下合成成的角動(dòng)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(gè)個(gè)反作用飛飛輪和偏置置動(dòng)量飛輪輪都可以組組成整星零零動(dòng)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(dòng)量輪更更高，但是是它在轉(zhuǎn)速速過(guò)零時(shí)就就會(huì)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(jì)的的時(shí)候就需需要綜合考考慮到飛輪輪的控制精精確度，動(dòng)動(dòng)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(dòng)量通通常用于對(duì)對(duì)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(gè)反反作用飛輪輪，并且沒(méi)沒(méi)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(gè)個(gè)飛輪沿著著衛(wèi)星三軸軸正交安裝裝，一個(gè)斜斜裝的飛輪輪和三個(gè)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(shí)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(gè)飛飛輪相對(duì)于于俯仰軸來(lái)來(lái)說(shuō)對(duì)稱斜斜裝，各個(gè)個(gè)飛輪的角角動(dòng)量和俯俯仰軸的夾夾角都是，對(duì)對(duì)角的兩個(gè)個(gè)飛輪的角角動(dòng)量分別別在一個(gè)平平面內(nèi)，與與滾動(dòng)的平平面或者是是偏航平面面的交線和和滾動(dòng)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(shí)際安安裝要求比比

35、較高，控控制算法等等相對(duì)比較較復(fù)雜。偏置動(dòng)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(dòng)動(dòng)量輪角動(dòng)動(dòng)量方向和和前面三個(gè)個(gè)的合成的的角動(dòng)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(dòng)量系系統(tǒng)。偏置置動(dòng)量輪能能夠有效的的避免反作作用飛輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過(guò)零的的時(shí)候摩擦擦力矩對(duì)衛(wèi)衛(wèi)星姿控精精確度和穩(wěn)穩(wěn)定度的影影響，我國(guó)國(guó)的資源衛(wèi)衛(wèi)星，對(duì)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(dòng)量量系統(tǒng)偏置動(dòng)量系系統(tǒng)利用陀陀螺定軸性性由偏置動(dòng)動(dòng)量輪產(chǎn)生生角動(dòng)量。一般的偏偏置動(dòng)量輪輪是沿著衛(wèi)衛(wèi)星俯仰軸軸負(fù)方向安安裝的，動(dòng)動(dòng)量方向相相對(duì)星體坐坐標(biāo)是恒定定的，當(dāng)數(shù)數(shù)

36、值足夠大大時(shí)，定向向性保證對(duì)對(duì)滾動(dòng)軸與與偏航軸產(chǎn)產(chǎn)生陀螺效效應(yīng)被動(dòng)穩(wěn)穩(wěn)定，滾動(dòng)動(dòng)一俯仰通通道通過(guò)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(dòng)耦合為為滾動(dòng)誤差差。這種結(jié)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)簡(jiǎn)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(dòng)量比較較大會(huì)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(dòng)動(dòng)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(jì)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(dòng)量量輪控系，其其次，可以以考慮偏置置動(dòng)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生不不穩(wěn)定性；由于機(jī)構(gòu)構(gòu)的慣性問(wèn)問(wèn)題，在衛(wèi)衛(wèi)星受到擾擾動(dòng)的情況況下，容易易產(chǎn)生共鳴鳴現(xiàn)象。零零動(dòng)量輪需需要考慮由由正轉(zhuǎn)過(guò)度度為反轉(zhuǎn)的的題；偏置置動(dòng)量輪控控制需要考考慮軸間互互干擾問(wèn)題題。1.2.33 姿態(tài)控控制規(guī)律控制規(guī)律的的設(shè)計(jì)是控控制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)的核心心部分，由由控制器實(shí)實(shí)現(xiàn)，可以以軟件編程程實(shí)現(xiàn)也可可以有硬件件實(shí)現(xiàn)，姿姿態(tài)誤差參參數(shù)是當(dāng)前前的估計(jì)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(jì)規(guī)規(guī)律形成一一定的指令令信號(hào)，如如力矩指令令，驅(qū)動(dòng)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(shuō)

38、是最經(jīng)經(jīng)典最常見(jiàn)見(jiàn)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(hào)是最最基本信號(hào)號(hào)，起到放放大誤差信信號(hào)作用；D代表微分分信號(hào)，由由于微分信信號(hào)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(lái)了一些些問(wèn)題。例例如，對(duì)于于外來(lái)的干干擾系統(tǒng)較較為敏感等等；I代表著積積分信號(hào)，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(hào)所所帶來(lái)的問(wèn)問(wèn)題。只要要通過(guò)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(dòng)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(gè)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?yàn)槠淦鋵?duì)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(jì)控制器器?；谝砸陨显颍Ｄ：刂破髌鲬?yīng)用越來(lái)來(lái)越廣泛。以下是模模糊控制器器的設(shè)計(jì)過(guò)過(guò)程：1)選擇模模糊控制器器的輸入為為誤差及其其變化，對(duì)對(duì)于本文選選擇輸入為為俯仰角、滾動(dòng)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(jì)計(jì)：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(jì)。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(yǔ)言和和輸出變量量模糊語(yǔ)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(duì)對(duì)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(dòng)運(yùn)行時(shí)時(shí)，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(wèn)題題一般選用用變結(jié)構(gòu)控控制。例如如Vadaali針對(duì)對(duì)剛體衛(wèi)星星的大角度度機(jī)動(dòng)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(shí)時(shí)，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(shí)，對(duì)過(guò)過(guò)程模型的的精確性無(wú)無(wú)嚴(yán)格要求求，但要求求過(guò)程的動(dòng)動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(huì)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(hào)，微分分有助于提提高系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)速度，使使消除誤差差加快，但但是它帶來(lái)來(lái)的消極的的一個(gè)方面面是對(duì)于外外干擾力矩矩比較敏感感，常常會(huì)會(huì)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(huì)延延長(zhǎng)了相應(yīng)應(yīng)的時(shí)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(dòng)動(dòng)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(gè)巨大的的優(yōu)點(diǎn)就是是算法簡(jiǎn)單單并且容易易實(shí)現(xiàn)，所所以很多衛(wèi)衛(wèi)星都會(huì)去去使用這種種控制規(guī)律律，例如美美國(guó)的Laandsaat衛(wèi)星，英英國(guó)的CAATSATT衛(wèi)星，美美國(guó)的HCCMM衛(wèi)星星，美國(guó)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(guò)控控制力矩來(lái)來(lái)區(qū)別控制制器，大體體有：(1)被動(dòng)動(dòng)式：使用用天然的扭扭矩或物理理力源的被被動(dòng)控制系系統(tǒng)。無(wú)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(cè)測(cè)試其控制制的結(jié)合。(2)主動(dòng)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shuō)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(cè)量量的精度，這這在更高的的層面對(duì)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(guò)程中其其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)的精度。國(guó)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(jì)方面，許許多國(guó)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(dòng)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(jì)思路：軟件用來(lái)來(lái)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(shí)降低，實(shí)實(shí)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(duì)技術(shù)性性能的目的的。本文將對(duì)地地定向主動(dòng)動(dòng)三軸穩(wěn)定定衛(wèi)星作為為研究對(duì)象象。此類衛(wèi)衛(wèi)星國(guó)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(guó)MOS日本本SPOT法法國(guó)FY-1CC中國(guó)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(yáng)敏

47、感感器（4）磁強(qiáng)計(jì)（33）陀螺（4）紅外地平儀儀（2）精太陽(yáng)敏感感器（4）陀螺（6）星敏感器（11）紅外地平儀儀（2）精太陽(yáng)敏感感器（4）陀螺（6）紅外地平儀儀（2）精太陽(yáng)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(dòng)量；磁磁卸載2輪V型安安裝以偏置置動(dòng)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(dòng)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(dòng)偏航1.3 本本論文的主主要研究?jī)?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(duì)所所建立的模模型進(jìn)行控控制系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)。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(dòng)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(dòng)動(dòng)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(jì)計(jì)。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(jì)。第四章：基基于Mattlab/Simuulinkk建模和仿仿真。驗(yàn)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(dòng)量輪控控制系統(tǒng)零動(dòng)量系統(tǒng)統(tǒng)在整個(gè)衛(wèi)衛(wèi)星的正常常狀態(tài)的系系統(tǒng)的總動(dòng)動(dòng)量為零。對(duì)姿態(tài)穩(wěn)穩(wěn)定的要求求很高時(shí)多多使用零動(dòng)動(dòng)量系統(tǒng)。在零動(dòng)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(gè)。另另一種結(jié)構(gòu)構(gòu)是軸上安安裝一個(gè)偏偏置動(dòng)量輪輪，一般的的偏移值是是相同的，在在合成動(dòng)量量偏移數(shù)值值相反方向向的動(dòng)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(dòng)量量。只要偏偏差值和閾閾值選擇卸卸載，在整整個(gè)運(yùn)行過(guò)過(guò)程中三個(gè)個(gè)正交的輪輪在角動(dòng)量量不過(guò)零并且卸載載次數(shù)少，則則此時(shí)斜裝裝輪工作的的狀態(tài)為恒恒定動(dòng)量態(tài)態(tài)。零動(dòng)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(dòng)動(dòng)力消耗，抗干擾能力和控制精度，才能取得實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。飛輪作為在衛(wèi)星穩(wěn)態(tài)飛行過(guò)

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(dòng)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(gè)正交的的反作用飛飛輪組成的的21。除了電電動(dòng)機(jī)的驅(qū)驅(qū)動(dòng)力矩是是受到轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)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(dòng)，同同時(shí)轉(zhuǎn)矩被被實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)阻力力力矩；-動(dòng)不平衡衡力矩。 其中： 干擾力矩模模型的建立立探測(cè)姿態(tài)控控制和穩(wěn)定定擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩矩是建立在在檢測(cè)器的的指向精度度之上的22。下面我們們來(lái)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(chǎng)場(chǎng)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(dòng)軸軸具有恒定定的最大干干擾。太陽(yáng)光壓壓力矩當(dāng)衛(wèi)星質(zhì)量量中心與太太陽(yáng)的壓力力中心不匹匹配時(shí)，力力學(xué)方程為為： （2.3）太陽(yáng)光壓力力矩 （22.4）式中：-太陽(yáng)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(yáng)光照照面積；-光壓力到到探測(cè)器的的距離。氣動(dòng)力矩矩氣動(dòng)扭矩產(chǎn)產(chǎn)生是大氣氣產(chǎn)生的，衛(wèi)衛(wèi)星氣動(dòng)扭扭矩的主要要阻尼扭矩矩低于衛(wèi)星星軌道高時(shí)時(shí)。其表達(dá)達(dá)式如下： （22.5）其中：-星體受到到的氣動(dòng)阻阻力；-星體相對(duì)對(duì)大氣的速速度；-氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)學(xué)模型型我們討論了了衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)運(yùn)動(dòng)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(dòng)的的原因。但但是，通過(guò)過(guò)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(dòng)學(xué)學(xué)公式存在在奇異性問(wèn)問(wèn)題。

54、為了了避免奇點(diǎn)點(diǎn)性問(wèn)題，利利用數(shù)學(xué)方方法推導(dǎo)，得得出相對(duì)應(yīng)應(yīng)的描述姿姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)方程。(1)歐拉拉角衛(wèi)星運(yùn)運(yùn)動(dòng)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(lái)表表示衛(wèi)星方方向速度矢矢量233，以對(duì)對(duì)地坐標(biāo)系系作為參考考坐標(biāo)系來(lái)來(lái)進(jìn)行計(jì)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(dòng)參考系系相對(duì)于整整體的相對(duì)對(duì)位置的一一個(gè)分量。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)標(biāo)系的運(yùn)行行軌跡相對(duì)對(duì)于軌道的的角速度表表示為，其其運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)時(shí)候，也就就是為900度的時(shí)候候系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(lái)描描述系統(tǒng)的的在運(yùn)動(dòng)過(guò)過(guò)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(lái)來(lái)描述系統(tǒng)統(tǒng)24。(2)四元元數(shù)衛(wèi)星運(yùn)運(yùn)動(dòng)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(lái)的參考考系相對(duì)于于慣性參考考系來(lái)推導(dǎo)導(dǎo)出，衛(wèi)星星的這個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)動(dòng)力學(xué)模型型姿態(tài)動(dòng)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(shí)間，也也就是加速速度，本體體運(yùn)動(dòng)的特特征向量，運(yùn)運(yùn)動(dòng)之間的的運(yùn)動(dòng)關(guān)系系。利用三三個(gè)正交的的轉(zhuǎn)動(dòng)輪，作作為執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)態(tài)模型，以以動(dòng)量矩定定理作為基基礎(chǔ)。根據(jù)角動(dòng)量量定理有： （22.21）其中：

57、-星體質(zhì)心心角動(dòng)量-衛(wèi)星質(zhì)心心力矩總和和進(jìn)一步簡(jiǎn)化化計(jì)算，固固定其參考考坐標(biāo)系為為本體坐標(biāo)標(biāo)，對(duì)其公公式進(jìn)行求求導(dǎo)： （2.222）星體所受到到動(dòng)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(dòng)量。-旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)與衛(wèi)星的的相對(duì)動(dòng)量量。則，其動(dòng)力力學(xué)方程為為： （22.24）將上式展開(kāi)開(kāi)可得： （22.25）當(dāng)條件下， 代入公式式中。簡(jiǎn)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(duì)于系統(tǒng)統(tǒng)的向速度度就可以表表示為這個(gè)個(gè)表達(dá)式，系系統(tǒng)與飛輪輪機(jī)構(gòu)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)的總的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可可以表示為為，表示系系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量為，飛飛輪機(jī)構(gòu)相相對(duì)于系統(tǒng)統(tǒng)質(zhì)心的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)正交輪輪作為系統(tǒng)統(tǒng)控制的動(dòng)動(dòng)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(shí)，我我們必須首首先要有一一個(gè)空間參參考系的選選擇，沒(méi)有有參考坐標(biāo)標(biāo)將永遠(yuǎn)無(wú)無(wú)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(gè)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(gè)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(duì)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(jiǎn)稱軌軌道坐標(biāo)系系）。通常常，分別稱稱、軸為滾動(dòng)動(dòng)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(shí)，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(dòng)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