基于星敏感器/陀螺组合定姿系统研究

论文摘要

随着卫星运用领域的不断扩展,对卫星姿态确定精度提出了更高的要求,卫星姿态确定技术已经成为卫星领域的关键技术。其中星敏感器和陀螺组合定姿系统以其高精度和自主性受到了广泛的重视,然而组合定姿存在算法计算量大,星敏感器数据更新慢,缺少实验环境等问题。为了解决这些问题本文结合卫星姿态确定的实际背景,研究星敏感器和陀螺组合定姿系统,设计并搭建了半实物系统实验平台。本文主要通过算法和传感器两个方面来对系统进行研究。首先研究几种组合定姿算法,选择建立了基于误差四元数的卡尔曼滤波算法,分析并简化了滤波公式,得到了较高精度的算法数值仿真结果。根据仿真结果分析和讨论了陀螺精度、星敏感器精度、星敏感器数据周期对组合定姿算法的影响。其次为了缩短星敏感器的周期,提高组合定姿系统精度,提出了一种新的星敏感器的星跟踪算法。新星跟踪算法通过利用陀螺的角速度数据完成星点预测和跟踪,指导星敏感器星点提取和星图识别过程的快速完成,进而提高星敏感器的数据更新率。在组合定姿系统的基础上给出了星跟踪算法推导过程,并分析其跟踪坐标定位精度。与传统的星跟踪算法进行仿真比较,新的算法可以准确跟踪定位,缩短星点提取和星图识别的时间。最后针对国内组合定姿系统研究对算法的计算机仿真研究较多,缺少算法的实验验证的情况,设计并搭建了以三轴转台为基础的星敏感器陀螺组合定姿半实物实验系统,完成了实验系统软硬件调试。对实验过程中数据同步性问题做了研究,给出了解决方法。成功地在半实物实验平台上进行了组合定姿实验,得到了较高的静态精度和动态跟随精度,进一步验证了提出的组合定姿算法的可行性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 组合定姿系统研究现状
• 1.2.1 星敏感器星跟踪算法研究现状
• 1.2.2 组合定姿算法研究现状
• 1.2.3 组合定姿半实物实验研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 卫星姿态运动模型
• 2.1 引言
• 2.2 参考坐标系及其之间转化
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 坐标系转换
• 2.3 姿态描述
• 2.3.1 欧拉角
• 2.3.2 四元数
• 2.3.3 Rodrigues参数描述
• 2.4 姿态运动学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 组合定姿算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 误差四元数卡尔曼滤波
• 3.2.1 星敏感器和陀螺的误差模型
• 3.2.2 状态方程和量测方程的建立
• 3.2.3 卡尔曼滤波方程的建立和分析
• 3.3 组合定姿算法仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 星跟踪算法
• 4.1 引言
• 4.2 星敏感器
• 4.3 一种新的星跟踪算法
• 4.3.1 星跟踪算法
• 4.3.2 预测坐标偏差分析
• 4.3.3 仿真验证及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 组合定姿半实物系统实验
• 5.1 引言
• 5.2 半实物实验方案
• 5.3 数据同步性研究
• 5.4 半实物实验系统调试
• 5.4.1 转台调试
• 5.4.2 陀螺和星敏感器调试
• 5.4.3 系统调试
• 5.5 嵌入组合定姿算法
• 5.6 实验结果与分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢