摘要
随着微纳卫星技术的快速发展，空间操作、抵近交会、星座部署、深空探测、目标凝视、寿命末期离轨和空间碎片清除等民用航天及空间攻防任务需求日益增多。姿态机动和轨道机动能力将为微纳卫星执行复杂空间任务提供良好的技术支持。然而，如何在满足微纳卫星重量、空间、能源及成本等方面的限制下，实现微纳卫星的姿态机动和轨道机动将是一大挑战。本文以敏捷机动微纳卫星为研究对象，分别提出了姿态机动和轨道机动微纳卫星的姿态控制策略，并对其中存在的问题进行了深入的研究。主要内容包括： 一，针对中低轨复杂空间任务对微纳卫星大角度快速姿态机动能力的需求，提出了基于差分进化轨迹规划算法及非奇异有限时间滑模控制器的姿态机动控制策略。首先对基于Beta分布的差分进化轨迹规划算法进行设计，该算法包括加速段、恒速段和减速段三段轨迹，然后采用差分进化算法对三段轨迹时间分配进行最优化处理，以尽可能地减小姿态机动过程中的最大角速度，从而提高了控制系统的稳定性。另外，动量轮转速易饱和及磁力矩器控制能力有限等问题增加了微纳卫星实现大角度机动的难度，而差分进化轨迹规划算法可大幅提高动量轮的抗饱和能力，使动量轮拥有更强的控制性能，进而保证微纳卫星具备仅依靠动量轮和磁力矩器便能实现大角度姿态机动的能力。然后，设计了基于非奇异有限时间滑模控制器的微纳卫星姿态机动控制算法，该控制算法可保证姿态机动过程中姿态跟踪的准确性，同时sigm函数的设计可减轻滑模控制过程中的抖振现象，以进一步提高系统的稳定性。最终经过地面半物理仿真验证，基于零动量的姿态机动微纳卫星姿态控制策略可实现0.5°的姿态控制精度和2°/s以上的姿态机动。 二，针对高轨或深空复杂任务对微纳卫星快速姿态机动能力的需求，给出了基于分段式滑模控制器和联合执行机构力矩分配的快速姿态机动控制策略。首先，设计了一种分段式滑模控制器，该控制器在不同误差状态下都能保持较高收敛速度，而且双曲正切函数被用于滑模控制器的指数趋近律中，以增强控制器的抗饱和能力。另外，提出了一种基于零动量轮和微推进器的联合执行机构力矩分配控制策略，其中，微推进器主要协助动量轮提供部分控制力矩及动量轮卸载力矩，动量轮则提供高精度姿态控制力矩。最终经过地面半物理仿真验证，基于零动量轮及微推进器的快速姿态机动微纳卫星姿态控制策略可实现4°/s的姿态机动。 三，针对微推进变轨过程对姿态高精度稳定控制的需求，提出了一种基于积分模型预测控制的零动量姿态控制策略。首先基于离散状态空间模型分别对无约束模型预测控制器和积分模型预测控制器进行了设计，然后分别对无约束模型预测控制、滑模控制、PD控制和积分模型预测控制算法进行了分析与仿真，并分别从稳态误差、代码量、系统抖振和时间延迟等方面对不同控制算法的优劣进行了总结对比，综合考虑各种工程实现因素，最终选用了积分模型预测控制器。最后给出了针对微推进器提供变轨推力的轨道机动微纳卫星姿态控制策略，其中磁力矩器提供推力偏心补偿力矩，动量轮则提供高精度姿态控制力矩，此外，当磁力矩器控制力矩小于推力偏心力矩时，动量轮还将辅助磁力矩器对偏心力矩进行补偿。最终经过地面半物理仿真验证，积分模型预测控制算法能有效抵消微推进器偏心干扰带来的稳态误差，使轨道机动过程中三轴姿态指向精度保持在±1°范围内，三轴姿态稳定度保持在±0.2°/s范围内。 四，针对大推力固体推进变轨过程对姿态高精度稳定控制的需求，给出了一种基于干扰观测器和分段仿射模型预测控制的零动量姿态控制策略。首先，针对大推力固体推进器的偏心力矩设计了一种干扰观测器，可以实现偏心力矩的实时估计，同时微推进器可通过干扰观测器的估计结果对偏心力矩进行实时补偿。然后，基于状态空间模型推导了分段仿射模型，进一步给出了分段仿射模型预测控制策略，可有效解决系统强非线性及稳态误差问题。最终经过地面半物理仿真验证，轨道机动任务执行期间，三轴姿态指向精度可保持在±1.5°范围内，三轴姿态稳定度可保持在±0.4°/s范围内。 五，为了对本文提出的控制策略进行进一步验证，设计了敏捷机动微纳卫星姿态控制系统，搭建了实时半物理仿真平台。首先对姿态控制系统的各个部组件进行了设计和测试，包括姿控计算机、零动量轮、磁力矩器和磁强计等。然后搭建了基于Matlab/Simulink快速原型设计和Vxworks实时操作系统的半物理仿真平台，对敏捷机动微纳卫星姿态控制系统及本文研究的控制策略进行了半物理仿真验证。最后通过“田园一号”型号任务对敏捷机动微纳卫星姿态控制性能进行了进一步验证。 本文主要对敏捷机动微纳卫星在四类不同任务场景下的姿态控制关键技术进行了深入研究，拓展了微纳卫星姿态控制执行复杂空间任务的能力，为微纳卫星在民用航天和空间攻防等领域的大规模应用提供了技术支撑。
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