本論文主要探討的是利用角速率迴授對太陽同步軌道衛星在分離階段進行控制。由於衛星與載具在分離階段時，會使衛星產生角速度而造成滾轉，使得衛星無法確定太陽、地球或其他星體的位置，而且在此階段中有能量上的限制，無法使用太複雜的控制法或較耗能的感測器。因此在本論文中選擇較直接的方式對角速度進行控制，因此利用角速率迴授控制，在研究中發現出這種控制方式能有效地降低角速度，對於衛星在任何方向的角速度與姿態都能保持穩定，由於應用於太陽同步軌道中，因此只要能夠穩定衛星，即可利用太陽同步軌道的特性找到太陽的指向。在研究的方式，首先利用Matlab/Simulink建立衛星的動態模型，並模擬出衛星的初始軌道，在角速率回授控制作為控制器加入模型中，並完成整個模擬模型。利用太空中心(NSPO)所提供的資料與模擬結果進行比較，確定此方法的可靠性。

This thesis initital acquisition of  sun-synchronous satellites using angular rate feedback in the separation stage control.Because the satellite and vehicles in the separation stage, the satellite will produce angular velocity caused by rolling, making the satellite can not determine the Sun, the Earth or other celestial body position, and at this stage there are restrictions on the energy, you can not use too complex control relatively energy-intensive method or sensors.

Therefore, in this thesis, choose a more direct way to control the angular velocity, thus using the angular rate feedback control, the study found that this control method can effectively reduce the angular velocity, the angular velocity of the satellite in any direction and attitude can be maintained stable, sun-synchronous orbit as used, so long as they can stabilized satellite, you can take advantage of the characteristics of a sun-synchronous orbit point to find the sun. In the study method, the first to use Matlab / Simulink establish satellite dynamic model and simulate the initial orbit of the satellite, the angular rate feedback control as a controller to the model and complete the simulation model. Use NSPO's data with the simulation results are compared to determine the reliability of this method.

目錄

中文摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .i
英文摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ii
致謝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .iv

1 緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 座標系與時間系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 定義座標. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 地球慣性座標(ECI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 地球固定座標(ECEF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.3 本地垂直本地水平座標(LVLH) . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 體座標(B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 太陽同步軌道. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 初始軌道建立. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 分析流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 軌道六元素. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.3 克卜勒方程式(Kepler’s Equation) . . . . . . . . . . . 9
2.3.4 重力加速度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.5 harmonic 係數陣列. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.6 Vnm 和Wnm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.7 初始軌道模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 時間系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 定義時間系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.2 整體流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.3 UTC 轉MJD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.4 閏秒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.5 MJD 轉GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.6 GPS 增量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.7 GPS 轉MJD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.8 MJD 轉JD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 衛星姿態模擬器 . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . 21

3.1 模擬模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 姿態控制系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 圖形化介面(Graphic User Interface) . . . . . . . . . . 24

4 衛星姿態控制與結果分析 . . . . . . . . . . . . . . .  . . . 25

4.1 姿態動態與軌跡追蹤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1 姿態運動方程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2 軌跡追蹤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 離散運動方程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 姿態估測與角速度測量. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3.1 量測不確定橢球. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3.2 不確定橢球的動態傳播(propagation) . . . . . . . . . . 30
4.3.3 量測橢球與傳播橢球的交集. . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 運算程流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 模擬圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6 模擬結果與驗證分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6.1 控制器驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5 結論與未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

圖目錄

2.1 ECI 座標. . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . 4
2.2 ECEF 座標. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 LVLH 座標. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 體座標. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5 太陽同步軌道. . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 7
2.6 分析流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.7 軌道六元素[17] . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 8
2.8 E: The eccentric anomaly; f : The true anomaly . . . .10
2.9 VW 矩陣[13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.10 衛星軌道圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.11 衛星位置圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.12 衛星速度圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.13 時間系統流程. . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 17
3.1 模擬平台的整體系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 姿態控制系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 圖形化介面. . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 24
4.1 不確定橢球. . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 31
4.2 運算流程圖. . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 32
4.3 姿態誤差. . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 34
4.4 角速度誤差. . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 35
4.5 姿態誤差圖. . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 36
4.6 角速度誤差圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

參考文獻
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[10] V. A. Sarychev, S. A. Mirer, and A. A. Degtyarev. “Equilibria of a satellite subjected to gravitational and aerodynamic torques with pressure center in a principal plane of inertia,” Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, vol. 100, no.4, pp. 301-318, 2008.

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[17] The NASA website
http://spaceflight.nasa.gov/realdata/elements/graphs.html