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摘 要

实现多种航天任务的基础就是航天器姿态跟踪控制，并且，该技术在不同的领域中都会起着或多或少应用，比如深空天体探测等等。但是，航天器在运行的同时，也会存在着许许多多的干扰，所以，为了能够让航天任务能够顺利地完成，对姿态控制算法就需要有一定的鲁棒性。

本文首先对航天器姿态跟踪控制问题中所涉及到的相关理论基础进行了简单的介绍，首先是航天器的参考坐标系以及描述方法；然后介绍判断系统是否稳定的几种理论以及航天器姿态跟踪控制的数学模型。本文的设计思路是基于反步法的姿态控制方法，通过稳定性理论上证明了该方法设计出的控制器是能够满足需求的，并且引入自适应的规律，设计了几种不同情况下的主从式跟踪控制器。首先，在理想的情况下，设计了一种控制器并对此进行了仿真，并对其可行性进行了研究；接着针对航天器转动惯量不确定并受到时变但可用常值界定的扰动，算出自适应规律，设计了相应的控制器，利用仿真程序，验证控制效果。

关键词：姿态跟踪 罗德里格参数 反步法 自适应 李雅普诺夫稳定性判据

Spacecraft attitude tracking control method based on backstepping method

Abstract

Spacecraft attitude tracking control is based on achieving multiple space missions, and this technology will play more or less applications in different fields, such as Deep Space Explore and so on. However, when the spacecraft is running, there will be many interferences. Therefore, in order to let the space complete the mission successfully, the attitude control algorithm needs to be robust.

First, this article introduces the relevant theoretical basis involved in the attitude tracking control of the spacecraft briefly, including the spacecraft reference coordinate system and several spacecraft attitude description methods; then introduces some stability theories that will be used in the design controller and the mathematical model of spacecraft attitude tracking control. The design idea of this paper is the attitude control method based on the backstepping method. Stability theories proves that the attitude tracking control designed by this method can meet the needs, and designing with the adaptive law. Several different situations are designed. Firstly, the controller is designed under ideal conditions and simulated to verify its feasibility; then the adaptive law is calculated and the corresponding control is designed for the spacecraft whose moment of inertia is uncertain and is subject to time-varying disturbances that can be defined by constant values. Use a simulation program to verify the control effect.

Key Words: Cooperative Control; Modified Rodrigues Parameters (MRP); Backstepping control; Adaptive Control; Lyapunov stability criterion

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题的背景和研究的目的 1

1.2 航天器姿态跟踪控制概述 2

1.3 姿态跟踪控制的国内外研究现状 4

1.4 本文的主要研究内容以及框架 5

第二章 航天器姿态跟踪控制理论基础 6

2.1 引言 6

2.2 基本的参考坐标系定义 6

2.2.1 地心惯性坐标系 6

2.2.2 航天器本体坐标系 7

2.2.3 质心轨道坐标系 7

2.3 姿态描述法 8

2.3.1 方向余弦阵姿态描述法 8

2.3.2 欧拉角姿态描述法 9

2.3.3 欧拉轴/角姿态描述法 11

2.3.4 四元数姿态描述法 11

2.3.5 修正罗德里格参数姿态描述法 12

2.4 稳定性理论 13

2.4.1 稳定性理论 13

2.4.2 不变集原理 16

2.4.3 引理 16

2.5 航天器数学模型的建立 17

2.5.1 姿态动力学方程 17

2.5.2 姿态运动学方程 18

第三章 反步法的航天器姿态跟踪控制整体方案 19

3.1 引言 19

3.2 系统方案设计 19

3.1.1 综合因素考量 19

3.1.2 方案确定 19

3.3 航天器姿态跟踪控制框图 20

3.1.2 理想情况下航天器模型 20

3.1.2 转动惯量不确定时航天器模型 21

第四章 基于反步法的航天器姿态跟踪控制 22

4.1 引言 22

4.2 问题描述 22

4.3 理想情况下的姿态跟踪控制 24

4.3.1 控制器设计 24

4.3.2 仿真结果分析 27

4.4 转动惯量不确定，并受到时变有界扰动的情况 28

4.4.1 控制器设计 29

4.4.2 仿真结果分析 32

第五章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 系统评价 35

5.3 展望 36

参考文献 37

致谢 40

第一章 绪论

1.1 课题的背景和研究的目的

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