基于MRP的航天器无角速度姿态控制算法.pdf

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1、第30卷2013年第2期上海航天AEROSPACESHANGHAI文章编号：1006—1630(2013)02—0013—04基于MRP的航天器无角速度姿态控制算法陆智俊，吴敬玉(上海航天控制技术研究所，上海200233)摘要：对适于不携带惯组的小型航天器的姿态控制律设计进行了研究。考虑航天器实际运行中饱和广泛存在，在控制器设计中引入饱和特性函数，为改进饱和阀限引入双曲余弦函数。用一阶无源滤波器对姿态参数进行差分，提出了基于修正罗德里格参数(MRP)的采用饱和函数和双曲余弦函数的无角速度控制律。理论分析证明了系统的稳定性，数学仿真结果验证了这两种无角速

2、度反馈控制律的有效性。提出的控制方法也可作为普通航天器惯组失效时的备份控制律。关键词：卫星姿态控制；无角速度测量；无源滤波器；修正罗德里格参数中图分类号：V448．22文献标志码：AAttitudeControlofAngularVelocityFreeSpacecraftBasedonMRPLUZhi—jun。WUJing—yu(ShanghaiAerospaceControlTechnologyInstitute，Shanghai200233，China)Abstract：Theattitudecontrollerdesignforsmallspa

3、cecraftwithoutinertialmeasurementunit(IMU)wasstudiedinthispaper．Withtheconsiderationofthesaturationexitinggenerallyduringthespacecraftoperation，thesaturationfunctionandhyperboliccosinefunctionwereintroducedinthecontrollerdesign．Thedifferenceofattitudeparameterswasdonethroughthe1

4、”orderpassivefilter．TheangularvelocityfreecontrollawsusingsaturationfunctionandhyperboliccosinefunctionwereproposedbasedonmodifiedRodriguesparameters．Thestabilityofsystemwasprovedtheoretically，andtheeffectiveofthetWOangularvelocityfreecontrollawswereverifiedthroughmathematicalsi

5、mulation．ThelawsproposedcouldberegardedasbackupcontrollawsofgeneralspacecraftswhentheIMUcameoutfailure．Keywords：Satelliteattitudecontrol；Angularvelocityfreemeasurement；Passivefilter；ModifiedRodriguespa—rameters0引言传统航天器姿态控制系统通常需要航天器的姿态和角速度测量信息进行反馈控制[1]。但航天器运行过程中角速度信息并非总是可以测量的，如速率

6、陀螺出现故障或航天器根本未安装速率陀螺，此外现代航天器(如小卫星)对低成本和小型化提出了越来越高的要求，逐渐显现无陀螺化趋势[2]。因此，高效、实用的无角速度测量信息反馈的姿态控制器设计越来越受关注。近年来，国内外针对无角速度反收稿日期：2012—06—20；修回日期：2013—01—15作者简介：陆智俊(1981一)，男，硕士，工程师，主要研究方向为航天军工领域分布式计算及数字化仿真技术。馈的姿态跟踪的研究已取得大量成果。文献[3]研究了无角速度测量信息挠性航天器受正弦干扰作用时的姿态渐近稳定控制，基于无源性方法和内模原理设计了仅依赖姿态测量的动态控

7、制器；文献E4]研究了控制受限和角速度不可测条件下航天器姿态快速跟踪，设计了包含实际误差四元数和观测误差四元数的双曲正切函数的非线性控制律。MRP具有三参数、无冗余、元需归一化、通过原参数与阴影参数的切换避免奇异的性质，因此非常适于描述航天器的姿态运动。基于MRP参数，本文用构建无源滤波器方法对航天器无角速度反馈时的姿态控制律进行了研究。上海航天AEROSPACESHANGHAI第30卷2013年第2期1姿态运动学与姿态动力学研究航天器姿态控制问题，首先要建立航天器的姿态运动学和动力学。基于MRP的刚体航天器的姿态运动学方程为击一G(a)to；(1)G

8、(仃)=—_I[(1一盯T盯)J3×3+2盯。+20'0"T]．(2)式中：仃，∞分别为航天器