皮卫星以微电子、微机电、纳机电、精密制造等技术为基础,具有成本低、功能密度高、研发周期短、在轨功能针对性强等优点。姿态确定与控制子系统(ADCS)是卫星系统的重要组成部分,在一定程度上决定了卫星所能实现的在轨功能。同时,皮卫星平台在质量、体积、功耗、数据存储和运算量等指标上要求严格。综合考虑各种因素,确定一种满足系统总体约束和任务要求的ADCS设计方案,并用硬件实现验证该方案是本文的研究目标。 首先,论文对“空间试验皮卫星”进行任务分析,针对卫星总体对ADCS系统的要求,提出一种可行的皮卫星ADCS子系统总体方案:以“双矢量敏感(地磁强度矢量+太阳方位矢量)”作为基本姿态测量手段,以“俯仰偏置动量轮组合三轴磁力矩器”构成控制子系统。 姿态确定子系统,选用星体表面贴装的太阳电池阵敏感太阳矢量,同时在常受照面上贴装立体太阳能电池片,以扩大视场,提高测量精度;利用星上三轴磁强计敏感地磁强度矢量,并结合轨道坐标系内建立的太阳历表和地磁场表,采用双参考矢量姿态解算法,实时解算出星体三维姿态。姿态控制子系统,以俯仰偏置动量轮组合三轴磁力矩器构成控制系统主体,实现初始入轨后的姿态角速率磁控阻尼(B控制律),以及姿态的三轴稳定控制;分别对动量轮和三轴磁力矩器进行了参数设计。 论文的第二部分,对卫星姿态控制系统工作模式进行了仿真。ADCS系统在轨实际工作时,需经历入轨模式、三轴稳定控制模式,才能实现星体姿态的三轴稳定指向。对卫星在轨工作模式的仿真结果表明,经过约3个轨道周期即可实现三轴稳定控制,满足总体姿态稳定的要求和功耗要求。 论文的第三部分阐述皮卫星姿态确定和控制系统的硬件实现。姿控系统以主控板为核心,直接利用卫星表面上的太阳能电池作为姿态敏感器,并采用一个微机械偏置动量飞轮配合三轴磁力矩器作为姿态控制执行机构。姿控系统的主控板主要基于DSP及其扩展电路完成,负责采集多路姿态信息,确定卫星当前姿态,判断姿态偏差,从而驱动星上各种执行机构协调工作来达到姿态控制和稳定的效果。 最后,对三轴姿态控制系统进行了半物理仿真,以验证姿态控制器件和控制方法。利用地面仿真计算机对卫星运动学、动力学建模,并近似模拟太阳和磁场矢量,按照与实际相符的接口和流程对三轴姿控方案进行了验证。试验结果显示我们的姿态控制系统满足设计要求。。