基于力矩陀螺的高分敏捷小卫星姿态机动控制研究

高分敏捷小卫星需要卫星平台具备大角度快速机动能力和机动之后的高稳定控制能力。单框架控制力矩陀螺(SGCMG)由于机械结构简单和输出力矩大等优点，成为未来敏捷小卫星姿态机动首选的执行机构。本文针对影响基于SGCMG的对地观测高分敏捷小卫星姿态机动控制性能的主要因素进行了详细的分析，提出了有效可行的姿态机动控制方案。首先，总结了描述卫星姿态的欧拉角及四元数描述方法；介绍了金字塔构型的控制力矩陀螺群(SGCMGs)工作机理；建立了SGCMGs作为执行机构的小卫星动力学模型和运动学模型；并对近地轨道小卫星受到的主要干扰力矩进行了分析。其次，研究了SGCMGs作为姿态执行机构的高分敏捷小卫星的大角度机动和高精度稳态控制问题。借鉴自抗扰理论(ADRC)，提出了基于非线性扩张状态观测器(NESO)的非线性四元数误差反馈控制方案，在卫星控制系统内环加入非线性扩张状态观测器(NESO)，实现了对卫星动力学的耦合扰动进行解耦及对于外部扰动等的观测，采用非线性组合函数作为姿态反馈控制器更加有效的抑制了干扰，仿真验证了该方案较好的稳态控制性能。然后，考虑基于NESO的非线性四元数误差反馈控制器存在参数众多不易调节等问题，提出了基于线性扩张状态观测器(LESO)的线性四元数误差反馈控制算法，减小了控制器参数整定难度和简化了系统设计。相比于传统的PD机动控制方案，具备更高的稳态控制性能。这一研究成果为高分辨率敏捷小卫星大角度高精度姿态控制提出了一个简单可行的方案。再次，为进一步提高小卫星的快速机动性能，研究了基于SGCMGs的高分敏捷小卫星的快速机动问题。通过深入分析滑模变结构(SMC)控制原理，提出了基于准滑模的四元数误差反馈控制方案，有效的削弱了一般滑模控制系统中的抖振问题，实现了小卫星的快速机动。但是考虑基于准滑模的控制系统在有扰动的时候，存在稳态误差，为进一步提高控制系统的稳态性能，提出了基于LESO的准滑模姿态控制算法，实现了高分敏捷小卫星的大角度快速机动及机动之后的高精度控制。最后，以哑铃型三轴气浮台为全物理仿真平台，对基于LESO的四元数误差反馈控制系统进行了30°大角度机动仿真实验。从仿真结果可以看到LESO对于卫星动力学耦合扰动及外部扰动等具有较强的扰动观测能力，基于LESO的四元数误差反馈控制系统比传统经典PD控制系统具有更高的稳态控制性能，实现了姿态指向精度优于0.05°(3σ)，姿态稳定度优于0.006°/s(3σ)的高精度控制；另外，本次仿真实现了单轴3°/s的平均机动速度。这一研究成果，对实现小卫星大角度姿态机动和高精度稳态控制具有很高的应用价值。