微小卫星三轴磁力矩器

微小卫星三轴磁力矩器
作者：贾文奎， 陈肇新， 王晓霆， 张奇
作者单位：中科院空间中心/北京中科九章公司
1.期刊论文王新升.韩建斌.梁斌.李基勇.Wang Xinsheng.Han Jianbin.Liang Bin.Li Jiyong基于气浮台的微小
卫星姿态控制实时仿真-北京航空航天大学学报2010,36(7)
针对某在研卫星项目任务需求,以单轴气浮台为仿真平台,对单刚体微小卫星的姿态控制问题进行了气浮台实时仿真研究.介绍了微小卫星仿真气浮台系统的硬件组成,论述了仿真系统软件实现的机制,分析了姿态控制系统的基本原理.根据任务要求,对微小卫星三轴正常姿态稳定控制,大角度机动姿态控制模式进行了仿真实验.实验结果表明姿态控制系统的控制精度能够满足任务要求,从而验证了姿态控制系统方案的正确性和可行性.
2.会议论文郭伟民.赵新国.曹延华基于STK的微小卫星姿态控制可视化演示与验证2008
为了探索微推进器用于微小卫星姿态控制的可行性方案,需要开发微小卫星姿态控制过程的可视化演示与验证平台.以某型号微小卫星为仿真对象,利用Matlab设计了卫星俯仰通道和滚动/偏航通道的姿态控制模型,并实现了卫星姿态控制的数据仿真.基于STK中的STK/Connect模块,实现了卫星姿态控制过程的可视化演示.在可视化过程中,结合某型号微小卫星的案例数据,验证了所设计的卫星姿态控制模型与可视化程序.
3.学位论文郭云飞偏置动量微小卫星姿态控制系统研究2008
自上个世纪80年代以来，国际上微小卫星的发展十分迅速，世界上已经有20多个国家和地区开展了微小卫星的研究工作。

微小卫星如此势头勇猛的发展，可以说是国际航天技术和空间技术的一场划时代的革命。

作为现代微小卫星的关键部分，现代微小卫星的姿态控制系统需具有结构简单、质量轻、可靠性高和低成本等特点。

本文以某具体卫星的姿态控制系统的方案论证为背景，对微小卫星的姿态确定技术、磁控技术进行了研究。

主要研究工作如下：
使用欧拉角和四元数两种卫星描述，建立了完整的卫星姿态运动模型，并分析了卫星受到的各种环境力矩的数学模型。

同时给出了欧拉角和四元数之间的转换关系及相关定义。

为论文研究的展开奠定了基础。

卫星姿态确定和控制系统中一个重要的组成部分就是卫星的姿态敏感器及执行机构，卫星姿态确定的精度和控制效果与之息息相关。

对卫星姿态确定及控制所需要的姿态敏感器的测量方程和执行机构的工作原理进行了论述和研究。

同时讨论了磁力矩器的磁矩生成和分配方法。

姿态确定研究：讨论了扩展卡尔曼滤波的原理及流程，并对状态方程进行了一定程度上的线性化工作，从而利用扩展卡尔曼滤波，设计了多传感器联合滤波定姿算法。

讨论了修正罗德里格参数的定义及其与四元数之间的相互转换关系，给出了修正罗德里格参数描述的系统状态方程，同时介绍了SSUT的采样策略及特点。

基于修正罗德里格参数和SSUT变换，利用UKF滤波，设计了“磁强计+太阳敏感器”联合滤波定姿算法。

并且进行了仿真分析及适用度讨论。

磁控技术研究：设计了卫星在初始速率阻尼阶段的磁控算法，即minus B-dot算法，利用磁力矩器阻尼卫星三轴的角速率；基于四元数，设计了偏置动量小卫星的滑模磁控算法；当动量轮停转时，工程中常将重力梯度杆作为一种备份执行机构，从而针对重力梯度稳定卫星，设计了自适应磁控算法。

仿真算例表明所设计的磁控算法是有效的。

4.会议论文徐燕.曹云峰微小卫星的鲁棒H∞姿态控制2004
对于中低轨道的微小卫星而言,由于质量轻和体积小的特点,其姿态指向精度受自身转动惯量的变化和各种空间环境干扰力矩的影响非常大,所以设计一种能克服转动惯量的变化和各种空间环境干扰力矩影响的鲁棒控制器具有重要的工程意义和理论价值.本文分析了微小卫星的姿态动力学及运动学方程;考虑存在参数不确定性和各种空间环境干扰力矩的影响,提出了一种鲁棒H∞姿态控制方法,仿真结果验证了该方法的有效性.
5.学位论文徐燕微小卫星三轴稳定姿态控制系统设计2005
微小卫星具有重量轻、体积小、研制成本低等特点,在空间任务中起着非常重要的作用.姿态控制系统是微小卫星完成各种任务的基本前提,是微小卫星的关键技术和研究重点.本文主要针对某型微小卫星,对其姿态控制系统进行了研究.首先研究了星体模型.根据微小卫星的特点,分析了星体参数不确定性和各种空间环境干扰力矩,推导出微小卫星的姿态动力学模型,并对模型进行了线性化处理.随后主要研究了微小卫星的鲁棒H<,∞>姿态控制规律.详细说明了H<,∞>控制的理论和算法,并运用H<,∞>控制方法设计了微小卫星姿态的状态反馈控制律.在控制律的求解过程中引入了LMI方法,大大简化了计算过程.最后结合微小卫星的姿态动力学模型在MATLAB中进行仿真,仿真结果证明H<,∞>控制可使系统具有良好的鲁棒性和抗干扰能力.H<,∞>控制方法提高系统鲁棒性是以牺牲系统的其他性能为代价的.为此,我们又设计了微小卫星姿态的H<,2>/H<,∞>混合控制器.此控制器结合H<,∞>控制和H<,2>控制的优点,可以使整个系统既可以保持良好的鲁棒性和抗干扰能力,又可以获得优良的动态性能.最后对某型微小卫星的三轴稳定姿态控制系统进行了设计.首先给出了姿态稳定控制系统的总体方案;然后具体介绍了本系统所采用的姿态敏感器、姿态确定算法和执行机构;最后对以反作用飞轮为执行机构的姿态主动稳定系统进行了研究,并结合前面设计的控制律进行了仿真.仿真结果表明所设计的三轴稳定姿态控制系统方案可实现微小卫星的高精度姿态稳定.
6.期刊论文徐敏.李俊峰.王照林.XUMin.LIJunfeng.WANGZhaolin重力梯度稳定微小卫星大角度机动最优控制的遗
传算法-清华大学学报（自然科学版）2000,40(6)
为满足小卫星设计要求,针对重力梯度稳定微小卫星,建立了其大角度姿态机动的动力学模型,并应用Pontryagin极大值原理进行了最优控制问题的研究.同时,将遗传算法引入卫星姿态控制的数值计算中,求解最短时间控制问题和能量最优控制问题,发展了一种新的最优控制问题的计算方法,避免了对迭代初值进行猜测的困难,提高了计算效率.以"清华一号"微小卫星为算例进行了数值仿真计算,得到了卫星姿态角度和反作用飞轮控制力矩的变化规律.
7.学位论文谢祥华微小卫星姿态控制系统研究2007
从20世纪80年代美国军方提出了现代小卫星的概念以来，微小卫星发展迅速，成为目前航天器发展的一个重要方向。

作为现代微小卫星的关键部分，现代微小卫星的姿态控制系统需具有结构简单、质量轻、可靠性高和低成本等特点。

本文以某具体卫星的姿态控制系统的方案论证为背景，对微小卫星的姿态确定技术、主动磁控技术和姿控算法的硬件实现问题进行了研究。

主要研究工作如下：
较全面、系统的总结了欧拉角和四元数两种卫星姿态描述方法，建立了完整的卫星姿态运动模型，并分析了卫星受到的各种环境力矩的数学模型。

姿态确定方面：对微小卫星的姿态敏感器的工作原理和测量方程进行了研究；基于确定性方法，讨论了TRIAD和QUEST两种双矢量定姿的具体算法
，给出了一种利用地磁矢量和红外地平仪联合定姿的粗定姿算法；基于状态估计法，利用扩展卡尔曼滤波，设计了基于“红外地平仪+ 太阳敏感器+磁强计”的联合滤波定姿算法和基于磁强计的俯仰通道与滚动/偏航通道解耦的卡尔曼滤波定姿算法。

通过仿真算例对各定姿算法的定姿精度和适用范围进行了验证。

主动磁控方面：介绍了执行机构磁力矩器的工作原理和磁控力矩的特点，讨论了磁矩生成和分配的两种方式；设计了卫星在初始速率阻尼阶段的磁控算法；针对偏置动量卫星的运动特性，对其俯仰通道和滚动/偏航通道分别设计了相应的磁控算法；由于偏置动量轮有可能会停转，工程中常将重力梯度杆作为一种备份执行机构，针对重力梯度稳定卫星，设计了基于欧拉角反馈和基于四元数反馈两种形式的PD磁控算法。

仿真算例表明所设计的磁控算法是有效的。

航学报2009,30(1)
针对偏置动量稳定的微小卫星,提出了一种仅利用磁强计作为定姿部件,磁力矩器作为主动控制部件的主动磁控制算法.在星箭分离初期,提出改进的B-dot速率阻尼方法使卫星姿态角速率快速减小,在卫星角速率较低时,设计了加低通滤波器的PD俯仰控制律,并设计了以地磁矢量B作为判断依据的滚动角、偏航角反馈的进动控制律及基于B-dot的章动控制律.数学仿真结果表明,所设计的主动磁控方法收敛、有效.该算法具有良好的工程应用前景,对于低成本微小卫星的研究是一个有益的探索.
9.学位论文陈懿基于DSP技术的皮卫星姿态控制系统的设计与实现2005
从20世纪80年代美国军方提出了现代小卫星的概念以来,现代微小卫星技术发展非常迅速,微小卫星是目前航天器发展的一个重要方向.现代微小卫星具有重量轻、性能好、研制周期短、造价低等优点.作为现代微小卫星关键部分,姿态控制系统需具有结构简单、质量轻、工作时间长和可靠性高的特点.本文就是在"973"和教育部的资助下("皮卫星技术研究"和"皮卫星关键技术基础研究"),对皮纳微小卫星姿态控制和稳定系统进行的系统研究和验证试验.本文要设计的姿态控制系统,最终目标是一个低功耗的三轴稳定的皮纳卫星姿态控制系统,主要的工作是方案设计和单轴方案验证.由于皮纳卫星体积很小,能源供应亦十分紧张,姿态控制方案设计必须考虑这两个因素.系统采用一个微机械偏置动量飞轮作为姿态控制的主执行机构,利用4个微机械动量喷气装置对飞轮进行饱和卸载,同时还配有三轴磁力矩器作为辅助姿态控制执行机构.考虑到能源和星上空间的因素,姿控系统的姿态敏感器直接利用卫星(近似一正方体)的6个表面上的太阳能电池作为太阳敏感器,同时配有一个三轴磁强计.姿控系统的主控板主要是基于DSP及其扩展电路完成的,负责采集多路姿态信息,确定卫星当前姿态,判断姿态偏差,从而驱动星上各种执行机构协调工作来达到姿态控制和稳定的效果.本文首先利用DSP及其它数字电路技术设计出姿态控制的主控板.在分析了各个姿态驱动模块的驱动特点之后设计出符合要求的驱动电路模块.通过对太阳能电池的功率输出与卫星相对于太阳的姿态角的关系,得到确定卫星姿态角、角速度和角加速度的方法,并利用姿态偏差量控制偏执动量飞轮实现姿态调整和稳定.综合上面的工作,设计了一个卫星姿控的单轴验证方案,通过在验证平台上的多次实验,可以有效的调整和稳定单轴卫星姿态,证明此姿控方案的可行性,为以后的进一步设计提供宝贵参考.
10.会议论文李太玉.张育林利用磁力矩器和阻尼器实现微小卫星三轴姿态控制2001
本文通过对在轨卫星所受的地磁力矩进行分析,根据地磁力矩定向和阻尼特性,提出利用磁力矩器和阻尼器实现微小卫星三轴姿态稳定的控制率,并给出仿真结果.结果表明采用此方案的微小卫星具有结构简单、姿态稳定精度高的优点.
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