基于dsp技术的皮卫星姿态控制系统的设计与实现（可复制）.pdf

浙江大学硕士学位论文
摘要
从世纪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“”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。
关键字皮纳微小卫星,姿态控制,偏置动量飞轮,微喷
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山
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第一章绪论
微小卫星姿态控制的发展概况
随着新型材料和微电子技术迅速发展及新的设计概念和科学管理方法的应
用,现代小卫星应运而生,在卫星应用和卫星技术方面引起巨大变革〔。在
年代初,美国军方最早提出了现代小卫星的概念,并做了一系列的举措,这些
富有远见的举措,对于研制周期不到两年、有效载荷比达到及卫星平台小型
化的目标,起到了重要推动作用。现代小卫星概念强烈吸引俄罗斯、日本、欧空
局和欧洲一些国家,现代小卫星技术也迅猛的发展。法国、英台或星座。印度、韩国、瑞典、丹麦、巴西、西班牙、以色列等
许多国家也都以研制小卫星为切入点,带动本国航天技术的发展。一些大学也加
盟小卫星的研制,成为现代小卫星研制中的一支新军,如英国萨里大学、美国斯
坦福大学和犹他州立大学等。
现代小卫星的出现,相当于在航天领域中实现了计算机从大型机到微型机所
引起的技术新革命,现代小卫星的应用标志着卫星研制从国家单一计划生产,主
要服务于军事和气象,转向广泛的企业行为,商业应用航天市场的需求也刺激
了现代小卫星技术的发展,目前卫星的制造成本随制造周期的增加而增加,技术
先进性随制造周期的增加而下降。因此,具有重量轻、性能好、研制周期短、造
价低等特点的现代小卫星,特别是纳型卫星会给航天技术的发展带来新的机遇。
事实上,现代小卫星己经在通讯、遥感、电子、侦察等领域获得了广泛的应用,
受到航天、军事、工业及普通研究机构的普遍关注,成为当前航天技术发展的重
要方向之一,并显示出良好军事、经济和社会效益。比较有影响的现代微小卫星
有美国的“克莱门汀”月球探测器、斯坦福大学小卫星、英国萨里
大学小卫星以及俄罗斯廉价重力梯度小卫星。
“克莱门汀”月球探测器可以称为现代小卫星的典范,它是由美国战略防御
倡议局和宇航局联合研制的,年工月日发射,月日进入环月轨道,最终
运行于月球极轨道,对月球全球进行测绘。具有典型现代小卫星特征的“克莱门
汀”月球探测器重量仅有千克,研制周期个月,研制发射费用仅万美
元。与其它具有类似功能的探测器相比,重量和体积均减少倍,研制周期缩
短倍,成本下降一倍,而探测技术却相当先进。取得了大量探测成果。“克
莱门汀”月球探测器姿态是轴主动稳定的,姿态控制系统的执行部件是个反作
用飞轮和个小推力器组成,卫星的姿态控制精度优于