基于恒星和地心矢量观测的微小卫星定姿方案及算法研究

论文摘要

现代微小卫星以低廉的成本、快速灵活的特点以及快速验证新技术的能力,在各个国家正越来越受到重视。本文以三轴稳定的微小卫星为研究对象,展开了对微小卫星姿态确定算法的研究。主要内容包括以下几个方面:针对两类不同的微小卫星,提出了两种姿态确定方案:(1)陀螺/星敏感器组合配置,该配置适合质量相对较大的、具有高精度姿态需求的微小卫星;(2)磁强计/地球敏感器组合的无陀螺配置,该方案适合质量相对较小、低成本的微小卫星。同时利用扩展卡尔曼滤波(EKF)对两种方案展开研究,针对方案(1)研究了基于四元数的姿态确定算法,针对方案(2)研究了分别基于四元数和修正罗德里格参数的姿态确定算法,最后通过仿真验证了这些算法的有效性。为提高陀螺/星敏感器配置的姿态确定精度,首先研究了对星敏感器输出延时进行补偿的方法;其次,对星载陀螺误差进行建模,并利用EKF实现了在机动条件下对陀螺误差的实时标定,提高了姿态确定精度。最后仿真验证了这两种方法的有效性。针对方案(2)具有较强非线性的特点和EKF具有较大线性化误差的不足,首先引入更适合于非线性系统的平淡卡尔曼滤波(UKF),研究了基于UKF的姿态确定算法,其次,为提高非高斯噪声条件下的定姿精度,研究了利用粒子滤波(PF)进行姿态确定的算法。最后,通过仿真验证了这两种算法的优越性。结合方案(1)的定姿原理,以VxWorks和PC104为软硬件环境,实现了陀螺/星敏感器组合姿态确定算法,搭建了陀螺/星敏感器组合姿态确定仿真系统,并利用该系统对实现的算法的可行性进行了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 姿态确定系统研究现状
• 1.2.1 姿态描述参数
• 1.2.2 姿态敏感器
• 1.2.3 姿态确定算法
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 姿态确定配置方案的分析与研究
• 2.1 引言
• 2.2 卫星姿态确定的研究基础
• 2.2.1 卫星姿态参数及运动模型
• 2.2.1.1 欧拉角
• 2.2.1.2 四元数
• 2.2.1.3 修正罗德里格参数
• 2.2.1.4 卫星姿态动力学方程
• 2.2.2 扩展卡尔曼滤波
• 2.3 两种姿态确定配置方案的提出与分析
• 2.4 陀螺/星敏感器的组合姿态确定研究
• 2.4.1 星敏感器和陀螺测量模型
• 2.4.2 基于陀螺/星敏感器/EKF 的姿态确定算法研究
• 2.4.3 仿真研究
• 2.5 基于磁强计/地球敏感器的无陀螺姿态确定算法研究
• 2.5.1 磁强计/地球敏感器的测量模型
• 2.5.2 基于四元数/EKF 的无陀螺姿态确定算法研究
• 2.5.3 基于修正罗德里格参数/EKF 的无陀螺姿态确定算法研究
• 2.5.4 仿真研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 陀螺/星敏感器组合姿态确定技术改进研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于星敏感器延时补偿的姿态确定算法
• 3.2.1 延时修正方法
• 3.2.2 仿真研究
• 3.3 具有陀螺误差标定功能的姿态确定算法研究
• 3.3.1 含安装误差/刻度误差/常值漂移误差的陀螺测量模型
• 3.3.2 基于姿态估计/陀螺标定的姿态确定算法
• 3.3.3 仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于磁强计/地球敏感器的姿态确定改进研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于UKF 的无陀螺姿态确定研究
• 4.2.1 UKF 基本原理
• 4.2.2 基于修正罗德里格参数/UKF 的无陀螺姿态确定算法
• 4.2.3 仿真研究
• 4.3 基于PF 的无陀螺姿态确定研究
• 4.3.1 PF 基本原理分析
• 4.3.2 基于修正罗德里格参数/PF 的姿态确定算法研究
• 4.3.3 仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于 PC104/VxWorks 的卫星姿态确定系统研究
• 5.1 引言
• 5.2 VxWorks 操作系统特点
• 5.3 VxWorks 下姿态确定系统的实现与分析
• 5.3.1 实现对象的具体描述
• 5.3.2 系统具体实现过程
• 5.3.3 实现的算法及姿态确定系统的有效性验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文