怎么实现卫星姿态控制

我们知道卫星在失重状态下飞行。如果不受控制，它会翻筋斗。这种情况是绝对不允许的，因为卫星有自己特定的任务，在飞行中对其飞行姿态有一定的要求。例如，通信卫星需要它的天线总是对准地面。地球观测卫星要求其观测仪器的窗口始终对准地面。如果卫星颠倒过来，它们能在哪里正常工作？卫星姿态控制是控制卫星的飞行姿态，保持姿态轴的稳定性，并根据需要改变姿态轴的方向。由于各种干扰，空间卫星的姿态角和角速度经常偏离设计值，需要控制和调整。根据卫星不同的工作要求，卫星姿态的控制方法也不同。根据是否采用特殊的控制力矩装置和姿态测量装置，卫星姿态控制可分为被动姿态控制和主动姿态控制。首先，主动姿态控制(三轴姿态控制)主动姿态控制是通过形成控制指令并根据姿态误差(测量值与标称值之差)产生控制力矩来实现姿态控制的一种方式。许多卫星在飞行时需要控制它们的三个相互垂直的轴，并且不允许任何一个轴旋转或摆动超过规定值。这种稳定方法称为卫星三轴姿态稳定。目前，卫星基本上由三轴姿态稳定方法控制，因为它适用于运行在各种轨道上、具有各种指向要求的卫星，也可用于卫星返回、交会对接、变轨等过程。实现卫星三轴姿态控制的系统一般由三部分组成:姿态传感器、姿态控制器和姿态执行器。姿态传感器的作用是感应和测量卫星的姿态变化。姿态控制器的功能是通过一系列的比较和处理，将姿态传感器发送的卫星姿态角变化值信号发送给姿态执行机构，产生控制信号；姿态执行器的作用是根据姿态控制器发送的控制信号产生扭矩，将卫星姿态恢复到正确的位置。其次，被动姿态控制被动姿态控制是利用卫星自身的动态特性和环境力矩来实现姿态稳定的一种方法。被动姿态控制方法包括自旋稳定性和重力梯度稳定性。1.自旋稳定一些卫星要求卫星的一个轴总是指向空间的一个固定方向。卫星体围绕这个轴旋转以保持稳定。这种姿态稳定方法称为自旋稳定。其原理是利用卫星绕自旋轴旋转得到的陀螺轴来确定卫星在惯性空间中的自旋轴方向。这种控制方法简单。大多数早期卫星使用这种控制方法。卫星的旋转可以通过在卫星表面沿切线方向对称安装一个小型火箭发动机来实现，并在需要时点燃小型发动机以产生扭矩使卫星旋转或末级运载火箭旋转。中国的东方红一号卫星、东方红二号通信卫星和风云二号气象卫星都采用自旋稳定技术。2.重力梯度稳定重力梯度稳定是通过使用当卫星绕地球飞行时，在离地球不同距离的卫星不同部分上的不同重力产生的力矩(重力梯度力矩)来稳定的。例如，如果一颗卫星装有一个延伸杆，那么在它进入轨道后，卫星将被允许向上延伸，并且在它被延伸后，它的顶端将比卫星的其他部分离地球更远，因此它将受到更小的重力，而它的另一端将更靠近地球，并且将受到更大的重力，因此形成的重力差将对卫星的质心形成一个恢复力矩。如果卫星的姿态(延伸杆)偏离当地铅垂线，这一时刻可以恢复到原来的姿态。该控制方法简单实用，但控制精度低。姿态确定和控制系统是卫星设计的重要组成部分。首先，系统总结了欧拉角和四元数姿态描述，建立了完整的卫星姿态运动学和动力学模型。根据MTS卫星的任务和姿态控制系统的性能要求，提出了MTS卫星姿态控制系统的初步方案，并对传感器和执行器进行了配置。卫星姿态控制系统的精度水平在很大程度上取决于姿态确定的精度。在建立MTS卫星各种姿态传感器测量模型的前提下，基于状态估计方法和扩展卡尔曼滤波算法，设计了“陀螺+红外地平线+太阳敏感器”模式的姿态确定系统。考虑到星载计算机计算能力的限制，对EKF算法进行了改进，避免了EKF的大量计算。分析并建立了飞轮系统模型和各种干扰力矩模型。分别基于全局非奇异误差四元数设计了PID控制律和模糊控制律。根据模糊控制中稳态误差的特点，引入了积分环节。根据控制过程中不同阶段的控制特点，设计了参数自调整的模糊控制器。通过仿真比较，验证了模糊控制的有效性。最后，为了充分验证本文提出的姿态确定和控制方法的有效性，建立了MTS卫星姿态控制系统的大回路模型，编写了相应的程序，并进行了数学仿真。通过在正常轨道运行模式下的仿真，验证了姿态系统设计的可行性和准确性。