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研究生: 張榕瑭
Chang, Rong-Tang
論文名稱: 重力梯度衛星姿態控制器之設計與模擬
Design and Simulation of the Attitude Controller for Gravity Gradient Satellite
指導教授: 李君謨
Lee, Chun-Mo
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 重力梯度衛星線性二次調整
外文關鍵詞: linear quadratic regulator, gravity gradient satellite
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  • 本論文探討重力梯度衛星姿態控制系統之設計與模擬。根據衛星設計的需求,軌道高度定在500公里,傾斜角為25度。利用重力梯度杆與三軸磁力線圈來穩定及控制衛星的姿態。重力梯度杆提供被動的控制,三軸磁力線圈則提供主動的控制。在理論分析上,首先將衛星的動態方程式線性化,在考慮地磁的影響下,利用最佳化控制理論中的線性二次調整(LQR)理論來設計控制器。隨後此控制器被使用在非線性的衛星動態方程式作模擬,並函蓋了外來干擾力矩的影響。數值模擬分成三個層面,首先是模擬衛星剛脫離火箭後,使用主動磁控制力矩的減速模式,之後模擬展開重力梯度杆與太陽能板後衛星受到被動控制的一般模式。此外,也模擬了衛星的安全模式,即衛星在一般模式中遇到干擾而失去地球指向精度時,可啟動主動磁控制力矩恢復衛星的地球指向精度。由本文模擬結果顯示,所設計的衛星姿態控制器效果良好。

    In this thesis﹐the design and simulation of the attitude control system of the gravity gradient satellite are presented﹐The designed satellite requirement is to use the gravity gradient boom and the magnetic coils controlling the attitude of a satellite at 500 km altitude﹐25 degree inclination orbit. The satellite attitude controller is designed by the theory of Linear Quadratic Regulator (LQR) and then applied to the control of the nonlinear dynamics of the satellite under the influence of the earth's magnetic field and the external disturbing torques﹐The simulation is divided into three modes. The first mode is the despin mode﹐which is to reduce the angular rates to very low values, especially the spin rate﹐right after the satellite is separated from the launcher for erecting a comparatively weak extendible boom. The second mode is the normal mode, in which the satellite is controlled by its gravity gradient boom. The third mode is the detumbling mode﹐in which the earth pointing accuracy of the satellite can be restored by use of active magnetic control torque. The simulation shows satisfactory results.

    誌謝……………………………………………………………………i 中文摘要………………………………………………………………ii 英文摘要………………………………………………………………iii 目錄……………………………………………………………………iv 圖目錄…………………………………………………………………vii 表目錄…………………………………………………………………x 符號表…………………………………………………………………xi 第一章 緒論 …………………………………………………………1 1.1 文獻回顧………………………………………………………1 1.2 研究動機………………………………………………………4 1.3 研究方法………………………………………………………5 1.4 論文架構………………………………………………………6 第二章 座標系統與數學演算法……………………………………8 2.1 重力梯度衛星原理……………………………………………8 2.2 重力梯度衛星的控制法則……………………………………9 2.3 座標系統之定義與轉換………………………………………10 2.3.1 地球慣性座標……………………………………………11 2.3.2 地球固定座標……………………………………………11 2.3.3 軌道座標…………………………………………………12 2.3.4 體座標……………………………………………………13 2.3.5 座標轉換…………………………………………………14 2.4 衛星軌道計算…………………………………………………15 2.4.1 軌道六元素………………………………………………16 2.4.2 刻卜勒方程式……………………………………………17 2.5 地球磁場演算法………………………………………………19 2.6 太空中的環境干擾力矩………………………………………25 2.6.1 重力梯度力矩……………………………………………26 2.6.2 空氣動力力矩……………………………………………27 2.6.3 磁干擾力矩………………………………………………29 第三章 重力梯度衛星之姿態控制…………………………………30 3.1 衛星姿態控制系統設計流程…………………………………30 3.2 衛星姿態動態方程式…………………………………………32 3.3 重力梯度衛星的運作模式……………………………………36 3.3.1 減速模式…………………………………………………36 3.3.2 一般模式…………………………………………………36 3.3.3 安全模式…………………………………………………37 3.4 控制法則………………………………………………………38 3.4.1 重力梯度控制法則………………………………………39 3.4.2 主動磁控制法則…………………………………………43 3.4.3 控制增益矩陣Kpd的估測方法…………………………47 第四章 模擬結果與分析……………………………………………50 4.1 軌道參數………………………………………………………50 4.2 衛星系統參數…………………………………………………51 4.3 程式模擬流程與結果分析……………………………………53 4.3.1 減速模式的模擬流程與結果分析………………………56 4.3.2 一般模式的模擬流程與結果分析………………………71 4.3.3 安全模式的模擬流程與結果分析………………………75 第五章 結論與未來工作……………………………………………81 5.1 結論……………………………………………………………81 5.2 未來工作………………………………………………………82 參考文獻………………………………………………………………83 自述……………………………………………………………………87

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    A06Fall/Lectures/lecture-16.pdf

    下載圖示 校內:2011-07-24公開
    校外:2011-07-24公開
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