一种用磁力矩器控制卫星姿态地新方法.pdf

控 制 工 程 7 一 种用磁力矩器控制卫星姿态的新方法 W44g22 摘要 本文研究用磁力矩器控制极地轨道上对地指向卫星姿 态的方法。由 期 于地磁场的方 向在轨道上周期变化，卫星的姿态动力学方程是一个线性周期 系 统．本文采用块 能控标准形和滑动模 态的设计思想，提 出了一种开曼控制方 法，可 以保证线l生·周期系统 的稳定性 。文 中给 出一十具体例子验证 了此方法 的 有效法 。 关键词 磁力矩器 块能控标 准形 滑动模 态 控制 一 1 引 言 由于磁力矩器具有成本低 重量轻、可靠性高等优点。 目前，它被广泛地应用于小卫星 的姿态控制。但是，在使用磁力矩器时会遇到 以下两个困难： 首先，由于地磁场在轨道上周期变化，所以在标称姿态运动附近线性化后的卫星动力学 方程是一个线性周期系统。设计控制器时，需要设计一个周期时变的控制规律．以保障系统 的稳定性。 其次，由于直接调节磁力矩器产生的磁偶极矩的幅值，在技术实现上 比较困难，所 以在 实际工程 中往往只控制磁偶极矩的极性，而不控制它的幅值。因此希望设计一个开关控制规 律，决定磁力矩器的三个磁棒是否工作，如果工作．磁偶极矩的极性如何。 本文将块能控标准形 “与滑动模态控制 相结合，解决了磁力矩器控制 中出现的上述 两个问题 仿真结果说 明了此方法的有效性． 2 动力学方程 如果在俯仰轴安装一个 固定转速 的偏置动置轮，卫星动力学方程可 以写成 ‘+ 一D+∞ 一 一J2+D一^ = + +d： (1) 厶 + 一 +∞ + 一J2+D一^ = +出 这里 、0、 分别表示滚动 俯仰、偏航角。 ‘， 、‘是卫星相对于星体坐标系主轴的转动 惯量 。h是俯仰轴上偏置动量轮的角动量 。∞ 是轨道角速率。 (i=1，2,3)是控制力矩，它 们 由磁力矩器产生。d( 1，2，3)是干扰力矩，包括地磁场模型误差的影响。 当卫星在极地轨道上工作时，如果用偶极子模型估算地磁场强度，地磁场强度在轨道坐 标系中的坐标为 oB=6Ioosoot0 2smo~ ，这里 6 是磁场强度 。 记 = ．,qJ： 是磁力矩器产生的磁偶极矩在星体坐标系中的坐标。当姿态 偏差 8 控 制 工 程 很小时，可 以近似认为地磁场在轨道坐标系中的坐标等于其在星体 坐标 系中的坐标，即 OB 忸 控制力矩等于磁偶极矩叉乘地磁场强度 l l I2m：incoot l ll= 忸=6fm3oosoJ一2m#LnoJl (2) J __m~osoJ j 我们的设计任务是寻找一个开关控制规律 f s ml={l0 一s≤≤￡，=1，2，3 (3) 一 sj 一 e 使卫星的姿态角满足控制精度要求。上式中 是磁偶极矩的幅值 。sj是切换函数。￡表示边 界层 的厚度 ，它决定控制精度 。 因为俯仰轴运动和滚动 ／偏航运动是解偶的，所