● 摘要
卫星工程是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的系统工程，伴随着卫星任务的复杂性提高，其工作可靠性显得尤为重要。当系统硬件配置的性能与精度达到一定水平时，从控制算法的角度提高系统工作的可靠性，成为一个重要的研究方向。本文针对包含多源干扰和故障的卫星姿态控制系统进行建模，提出了新型的具有抗干扰和容错性能的控制方法，由于不同的干扰、故障及选择的控制方法都对控制效果产生不同的影响，又搭建了卫星姿态控制系统的软硬件平台对不同的多源干扰、故障以及控制方法的结果进行分析，具体内容如下：
针对包含多源干扰和故障的卫星姿态控制系统，设计故障诊断观测器和干扰观测器分别对系统中可能存在的故障和干扰进行实时的诊断及估计，并通过设计容错控制器保证故障情况下系统的正常运行。仿真结果说明此方法在估计并抵消故障的同时可以很好地抵消飞轮振动干扰。再次考虑到系统的饱和输入问题，设计故障诊断观测器和干扰观测器分别对系统中可能存在的故障和干扰进行估计，设计复合控制器保证输入饱和的情况下系统仍能收敛且具有容错抗干扰性能；经过仿真验证，基于干扰观测器的滑模控制方法可同时估计抵消故障和干扰，并在饱和输入情况下可稳定收敛。
针对已有多种卫星姿态控制方法，特别地从容错和抗干扰的角度出发，为了验证各种算法的容错和抗干扰性能，研制了基于GUI的卫星姿态控制方法测试分析软件；在此基础上，特别考虑了后续人机交互的便捷性和算法硬件化过程中可能存在的问题，搭建了基于C++的卫星姿态控制系统测试分析软件系统，可实现同一系统模型下多种控制方法的结果对比、同种姿态控制方法时不同量级不可建模干扰的结果对比、同种姿态控制方法时不同量级系统参数不确定性的结果对比。
最后以某型在研小卫星为工程背景，建立了一个真实卫星模型的姿控系统硬件在回路实验系统。考虑到实物飞轮的成本以及故障出现时备份飞轮的切换操作，本文设计了一种具有冷备份功能的飞轮电模拟器，该电模拟器与真实飞轮具有相同的电气特性，采用冷备份方式实现故障时切换到备份飞轮通道的操作，可在半物理仿真中代替真实飞轮进行试验。