作為一個角動量體,陀螺飛輪可通過改變其角動量幅值和指向,實(shí)現(xiàn)航天器三軸姿態(tài)控制力矩的輸出。若同時對改變陀螺飛輪角動量指向的控制力矩及其它相關(guān)量進(jìn)行測量,并通過算法解算,可以實(shí)現(xiàn)對航天器兩軸姿態(tài)角速度的測量。這一實(shí)現(xiàn)方式將顯著提高航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的集成度,減小系統(tǒng)的質(zhì)量和體積。本文以航天器執(zhí)行器與敏感器一體化實(shí)現(xiàn)為研究背景,針對具有多自由度動量交換功能的陀螺飛輪系統(tǒng),以如何實(shí)現(xiàn)航天器兩維姿態(tài)角速度測量功能為目標(biāo),進(jìn)行了如下幾方面的研究:首先,針對陀螺飛輪的理想模型建立及驗(yàn)證問題,在給出坐標(biāo)系定義的基礎(chǔ)上,分別從矢量力學(xué)和分析力學(xué)角度,基于牛頓-歐拉法和拉格朗日法建立了陀螺飛輪本體理想動力學(xué)模型。同時,利用多體動力學(xué)仿真軟件SimMechanics搭建了陀螺飛輪本體仿真平臺,通過仿真平臺與動力學(xué)模型的相互比較,驗(yàn)證了所推導(dǎo)的陀螺飛輪本體理想動力學(xué)模型的正確性。其次,針對陀螺飛輪實(shí)現(xiàn)中必然存在非理想因素影響和傾側(cè)轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性復(fù)雜的問題,綜合利用牛頓歐拉法、拉格朗日法、達(dá)朗貝爾原理,分別建立了陀螺飛輪存在正交支撐不垂直、不共面以及轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移等非理想因素的數(shù)學(xué)描述,并在此基礎(chǔ)上,分析了各主要非理想因素對轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響。進(jìn)一步,利用陀螺進(jìn)動理論,揭示了陀螺飛輪大角度進(jìn)動傾側(cè)過程中產(chǎn)生的非線性耦合機(jī)理,并通過力學(xué)分析,揭示了陀螺飛輪對航天器兩軸姿態(tài)角速度的敏感特性。再次,針對陀螺飛輪實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)角速度的測量方案問題,考慮到陀螺飛輪動力學(xué)方程具有多變量約束、強(qiáng)非線性的特點(diǎn),利用差分演化算法完成了復(fù)雜陀螺飛輪動力學(xué)方程的合理簡化。利用簡化后的動力學(xué)方程,結(jié)合直接微分法,建立靈敏度方程,對航天器姿態(tài)角速度靈敏度的進(jìn)行了數(shù)值分析。依據(jù)靈敏度分析結(jié)論,建立了姿態(tài)角速度靜態(tài)測量方程,并提出了基于分時復(fù)用策略的姿態(tài)角速度靜態(tài)測量方案。為使陀螺飛輪的測量與執(zhí)行功能可同時實(shí)現(xiàn),進(jìn)一步基于動量交換原理,提出了姿態(tài)角速度動態(tài)測量方程,并論證了所提動態(tài)測量方程的非線性可觀性。然后,針對陀螺飛輪實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)角速度靜態(tài)測量的誤差補(bǔ)償及應(yīng)用問題,分析了系統(tǒng)誤差對姿態(tài)角速度靜態(tài)測量精度的影響,并結(jié)合誤差傳播分析,給出了各傳感器測量精度需求。在此基礎(chǔ)上,對姿態(tài)角速度靜態(tài)測量方程的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償進(jìn)行了分析,并分別利用速率法、多位置法對靜態(tài)測量方程中不同的系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了分類標(biāo)定。為在實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角速度靜態(tài)測量的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮陀螺飛輪三軸力矩輸出功能,基于沖量等效原理和力矩指令規(guī)劃,提出了陀螺飛輪測量功能與執(zhí)行功能分時復(fù)用設(shè)計(jì),給出了分時時間約束,保證了在單位采樣時間區(qū)間內(nèi),陀螺飛輪可實(shí)現(xiàn)兩軸姿態(tài)角速度測量和三軸力矩輸出功能。最后,針對陀螺飛輪傾側(cè)運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)角速度測量的問題,分析了動態(tài)測量方程中所存在的系統(tǒng)模型誤差,并利用蒙特卡羅法,對動態(tài)測量方程中傳感器測量噪聲的影響進(jìn)行了仿真分析。在誤差分析基礎(chǔ)上,基于中心差分理論,對傳統(tǒng)的非線性預(yù)測濾波方法進(jìn)行改進(jìn),提出了一種改進(jìn)非線性預(yù)測濾波方法,并結(jié)合動態(tài)測量方程特點(diǎn),將所提出的濾波方法應(yīng)用于姿態(tài)角速度動態(tài)測量中,抑制了系統(tǒng)模型誤差和傳感器測量噪聲影響,并實(shí)現(xiàn)了在陀螺飛輪傾側(cè)運(yùn)動狀態(tài)的航天器姿態(tài)角速度實(shí)時估計(jì)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V448.2
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
        1.2.1 陀螺飛輪研究現(xiàn)狀及分析
        1.2.2 基于標(biāo)定補(bǔ)償?shù)暮教炱髯藨B(tài)靜態(tài)測量方法
        1.2.3 基于狀態(tài)估計(jì)的航天器姿態(tài)動態(tài)測量方法
        1.2.4 目前研究存在的主要問題
    1.3 論文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排
第2章 陀螺飛輪理想模型的建立
    2.1 引言
    2.2 陀螺飛輪組成及工作原理
        2.2.1 陀螺飛輪基本組成
        2.2.2 陀螺飛輪工作原理
    2.3 坐標(biāo)系定義及其轉(zhuǎn)換關(guān)系
        2.3.1 相關(guān)坐標(biāo)系的定義
        2.3.2 各坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換
    2.4 陀螺飛輪理想模型的建立
        2.4.1 陀螺飛輪運(yùn)動學(xué)方程
        2.4.2 陀螺飛輪本體理想動力學(xué)模型的建立
        2.4.3 陀螺飛輪系統(tǒng)模型的建立
    2.5 陀螺飛輪理想模型的仿真驗(yàn)證
        2.5.1 基于SimMechanics的陀螺飛輪仿真平臺搭建
        2.5.2 陀螺飛輪理想模型仿真驗(yàn)證
    2.6 本章小結(jié)
第3章 陀螺飛輪動力學(xué)特性分析
    3.1 引言
    3.2 陀螺飛輪主要非理想因素影響分析
        3.2.1 力矩器失配角
        3.2.2 正交支撐不垂直
        3.2.3 正交支撐不共面
        3.2.4 轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移
    3.3 陀螺飛輪動力學(xué)特性分析
        3.3.1 陀螺飛輪進(jìn)動特性
        3.3.2 陀螺飛輪敏感軸響應(yīng)特性
    3.4 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        3.4.1 陀螺飛輪進(jìn)動特性仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        3.4.2 陀螺飛輪多頻振動特性仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        3.4.3 陀螺飛輪敏感軸響應(yīng)特性仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    3.5 本章小結(jié)
第4章 航天器姿態(tài)角速度測量方案的確定
    4.1 引言
    4.2 基于差分演化算法的陀螺飛輪動力學(xué)方程簡化
        4.2.1 差分演化算法
        4.2.2 陀螺飛輪動力學(xué)方程簡化
    4.3 航天器姿態(tài)角速度靜態(tài)測量方案
        4.3.1 姿態(tài)角速度靈敏度分析
        4.3.2 姿態(tài)角速度靜態(tài)測量方程的建立
        4.3.3 基于分時復(fù)用策略的姿態(tài)角速度靜態(tài)測量方案
    4.4 航天器姿態(tài)角速度動態(tài)測量方案
        4.4.1 航天器姿態(tài)角速度動態(tài)測量方程的建立
        4.4.2 姿態(tài)角速度非線性可觀性分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 基于標(biāo)定補(bǔ)償?shù)暮教炱髯藨B(tài)角速度靜態(tài)測量方法
    5.1 引言
    5.2 航天器姿態(tài)角速度靜態(tài)測量誤差分析
        5.2.1 主要非理想因素引起的測量誤差分析
        5.2.2 測量噪聲引起的誤差分析
    5.3 航天器姿態(tài)角速度靜態(tài)測量誤差標(biāo)定補(bǔ)償
        5.3.1 姿態(tài)角速度靜態(tài)測量誤差補(bǔ)償分析
        5.3.2 航天器姿態(tài)角速度靜態(tài)測量誤差補(bǔ)償
    5.4 陀螺飛輪測量與執(zhí)行功能分時復(fù)用設(shè)計(jì)
        5.4.1 測量與執(zhí)行功能分時復(fù)用設(shè)計(jì)
        5.4.2 陀螺飛輪分時復(fù)用應(yīng)用的仿真驗(yàn)證
    5.5 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        5.5.1 姿態(tài)角速度靜態(tài)測量誤差補(bǔ)償?shù)姆抡骝?yàn)證
        5.5.2 姿態(tài)角速度靜態(tài)測量誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.6 本章小結(jié)
第6章 基于非線性預(yù)測濾波的航天器姿態(tài)角速度動態(tài)測量方法
    6.1 引言
    6.2 航天器姿態(tài)角速度動態(tài)測量方程誤差分析
        6.2.1 系統(tǒng)模型誤差分析
        6.2.2 傳感器測量誤差分析
        6.2.3 仿真分析
    6.3 基于中心差分理論的改進(jìn)非線性預(yù)測濾波方法
        6.3.1 中心差分理論
        6.3.2 非線性預(yù)測濾波方法
        6.3.3 基于中心差分理論的改進(jìn)非線性預(yù)測濾波方法
    6.4 基于改進(jìn)非線性預(yù)測濾波的航天器姿態(tài)角速度動態(tài)測量
        6.4.1 姿態(tài)角速度動態(tài)測量誤差補(bǔ)償分析
        6.4.2 基于改進(jìn)非線性預(yù)測濾波的姿態(tài)角速度動態(tài)測量實(shí)現(xiàn)
        6.4.3 仿真驗(yàn)證
    6.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個人簡歷

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2838850