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卫星智能自主控制系统的研究

作　者: 王岩
导　师: 秦永元
学　校: 西北工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 地球同步轨道卫星姿态控制信息融合故障诊断系统重构联邦滤波自主导航轨道保持
分类号: V448
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

卫星控制系统是一个极其复杂的系统，它包含多方面的内容。本文以地球同步轨道卫星为研究对象，从理论上和工程上较系统和全面地研究了卫星姿态控制系统的多敏感器信息融合技术、故障诊断与系统重构技术、自主导航技术、轨道保持技术。本文的研究工作重点如下： 1．星上多敏感器信息融合技术研究：构造了联邦滤波结构，建立联邦滤波各个子系统的状态方程和量测方程，分析了各个子系统的滤波算法和联邦滤波算法、集中滤波算法，研究了在主滤波器采样周期不同的情况下，以及各个子系统采样周期不同步的情况下的定姿效果，并进行了数字仿真。 2．卫星控制系统故障诊断与系统重构技术研究：提出了基于联邦滤波结构的卫星姿态确定系统智能自主故障诊断与系统重构方案和算法。由于惯性测量子系统在联邦滤波结构中有着举足轻重的作用，因此本文还提出了惯性测量子系统的部件级故障检测与隔离方案和算法。 3．同步卫星自主导航与轨道保持技术研究：分别选取惯性空间位置矢量和采用Hill方程表示的经、纬、向径误差作为状态量，分析轨道动力学模型误差、采样周期以及敏感器测量、安装等误差对定轨精度的影响。根据卫星轨道保持的要求，提出位置保持方案，使卫星偏离定点位置的经纬漂移量小于给定值。本文有如下创新点： 1．将捷联惯导系统的元件级故障检测理论和系统级故障检测理论应用于卫星控制系统，提高了卫星控制系统的自主性和容错能力。 2．以星光角距为量测量，运用广义卡尔曼滤波实现定轨。

全文目录

第一章卫星智能自主控制系统研究概述  8-16
  1.1 星上多敏感器信息融合技术概述  8-9
    1.1.1 研究背景、意义  8
    1.1.2 研究内容  8-9
  1.2 控制系统自主故障诊断、系统重构技术概述  9-10
    1.2.1 研究背景、意义  9-10
    1.2.2 研究内容  10
  1.3 静止轨道卫星自主导航及位置保持研究概述  10-16
    1.3.1 研究背景  10-11
    1.3.2 国外卫星自主导航技术发展历史  11-13
    1.3.3 国外卫星自主导航技术近期的研究和开发综述  13-15
    1.3.4 研究目标和研究方案  15-16
第二章星上多敏感器信息融合技术研究  16-56
  2.1 坐标系的定义及坐标变换  16-18
    2.1.1 常用坐标系定义  16-17
    2.1.2 坐标系转换  17-18
  2.2 卫星姿态控制系统中各测量子系统的测量原理  18-22
    2.2.1 惯性测量组件(IMU)的测量原理  18-19
    2.2.2 红外地平仪(DES)的测量原理  19-20
    2.2.3 数字式太阳敏感器(DSS)的测量原理  20-21
    2.2.4 星敏感器(CCD)的测量原理  21-22
    2.2.5 三轴磁强计(TAM)的测量原理  22
  2.3 联邦滤波结构与集中滤波结构的比较分析  22-25
    2.3.1 系统描述  22-23
    2.3.2 集中卡尔曼滤波器的结构  23-24
    2.3.3 联邦卡尔曼滤波器的结构  24
    2.3.4 联邦滤波的特点  24-25
  2.4 联邦滤波器结构设计  25-29
    2.4.1 四种典型的配置方案  25-27
    2.4.2 四种结构的比较  27-28
    2.4.3 卫星姿态控制系统的联邦滤波结构  28-29
  2.5 各个子系统状态方程和量测方程的建立  29-36
    2.5.1 公共参考系统惯性测量组件的状态方程  29-31
    2.5.2 惯性测量组件／红外地平仪子系统的状态方程和量测方程  31
    2.5.3 惯性测量组件／太阳敏感器子系统的状态方程和量测方程  31-33
    2.5.4 惯性测量组件／星敏感器子系统的状态方程和量测方程  33-35
    2.5.5 惯性测量组件／三轴磁强计子系统的状态方程和量测方程  35-36
  2.6 各子系统的滤波算法及联邦滤波器的信息融合算法  36-40
    2.6.1 各子系统模型的离散化  36-37
    2.6.2 各子系统的卡尔曼滤波算法  37
    2.6.3 主滤波器的信息融合算法  37-38
    2.6.4 子滤波器与主滤波器不同步时的信息融合算法  38-40
  2.7 数字仿真研究  40-56
    2.7.1 子滤波器与主滤波器同步的联邦滤波数字仿真研究  41-42
    2.7.2 集中滤波数字仿真研究  42-44
    2.7.3 子滤波器与主滤波器不同步的联邦滤波数字仿真研究  44-48
    2.7.4 隔离掉一个子系统后，不完整配置下的联邦滤波  48-54
    2.7.5 仿真结论  54-56
第三章控制系统故障诊断和系统重构技术研究  56-110
  3.1 卫星控制系统的故障状况分析  56-58
    3.1.1 控制系统故障成因分析  56-57
    3.1.2 控制系统故障的数学表示  57-58
  3.2 惯性测量组件的部件级故障检测  58-73
    3.2.1 陀螺正交配置的故障检测  59-61
    3.2.2 陀螺对称斜装配置的故障检测  61-73
  3.3 卫星姿态确定系统的故障诊断与系统重构  73-80
    3.3.1 状态X~2检验法  74-76
    3.3.2 残差X~2检验法(新息法)  76-77
    3.3.3 系统级故障检测与系统重构的四种方案  77-78
    3.3.4 检测门限的确定方法  78-80
  3.4 数字仿真分析  80-110
    3.4.1 对阶跃故障的检测  81-90
    3.4.2 对斜坡故障的检测  90-100
    3.4.3 对缓变故障的检测  100-109
    3.4.4 仿真结论  109-110
第四章静止轨道卫星自主导航及位置保持研究  110-152
  4.1 在地心惯性坐标系中的卫星自主导航研究  110-123
    4.1.1 坐标系的定义及时间表示法  110-111
    4.1.2 静止轨道卫星的摄动分析  111-114
    4.1.3 静止轨道卫星动力学模型的建立  114
    4.1.4 星光角距测量原理  114-116
    4.1.5 敏感器误差对定位精度影响的分析  116
    4.1.6 卫星轨道的确定  116-120
    4.1.7 卫星定轨仿真  120-123
  4.2 在轨道坐标系中的卫星自主导航研究  123-131
    4.2.1 卫星轨道运动的状态方程  123-125
    4.2.2 卫星轨道运动的观测方程  125-126
    4.2.3 广义卡尔曼滤波导航算法  126-127
    4.2.4 卫星定轨仿真  127-131
  4.3 静止轨道定点位置保持方案  131-152
    4.3.1 任务要求  131-132
    4.3.2 轨道摄动的动力学模型  132-137
    4.3.3 静止轨道卫星轨道摄动  137-142
    4.3.4 轨道保持方案设计  142-149
    4.3.5 轨道保持仿真  149-152
第五章总结  152-154
致谢  154-155
参考文献  155-158
攻读学位期间取得的研究成果及获奖情况  158-159

卫星智能自主控制系统的研究

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