基于星敏感器/陀螺的卫星姿态确定技术研究

论文摘要

卫星姿态确定是卫星姿态控制以及完成各项空间任务的基础。随着航天技术的发展和空间任务的日益复杂,对卫星姿态的精度和稳定性都提出了更高的要求,如何利用有限的星载资源提高卫星姿态确定精度成为重大的研究课题。目前,利用星敏感器和陀螺进行组合姿态确定是达到高精度的常用组合,由于两种姿态敏感器存在不同的测量特性,将它们组合来确定卫星姿态能够有效克服各敏感器的缺点提高姿态确定精度,以满足现代卫星高姿态精度的任务需求。本文主要针对星敏感器/陀螺组合卫星姿态确定技术进行了深入的研究,取得一定的成果,主要内容如下:研究了改进的EKF姿态确定算法。典型的星敏感器/陀螺姿态卫星确定算法采用的是估计陀螺常值漂移误差和相关漂移误差对陀螺角速度进行修正的方法,这种方法虽然精度高,但是算法复杂运算量大。针对此问题,本文提出了一种基于简化误差修正的星敏感器/陀螺卫星姿态确定算法,该算法利用高精度星敏感器测量提供基准仅估计陀螺常值漂移误差对陀螺角速度进行简化修正,减少了滤波器的状态变量,通过仿真验证该算法在保证姿态确定精度的条件下,降低了滤波器的复杂性,减少了运算量。研究了基于修正罗德里格参数的姿态确定算法。在对四元数描述的EKF算法深入研究的基础上,实现了基于星敏感器/陀螺的修正罗德里格参数EKF卫星姿态确定算法。仿真分析了修正罗德里格参数法的姿态确定精度和运算复杂度,将其与四元数法的性能进行对比,分析各自的优缺点。研究了无陀螺条件下的姿态确定算法。研究了卫星姿态动力学,并利用星敏感器测量与姿态动力学方程实现了无陀螺条件下的EKF卫星姿态确定算法。仿真分析了算法的姿态确定精度,验证了算法在无陀螺或者陀螺失效条件下的有效性。研究了抖动对卫星姿态精度的影响。卫星在轨运行中由于控制系统和载荷的机械运动不可避免地引起抖动,从而导致姿态敏感器测量精度降低。本文对姿态抖动进行建模,利用原有的EKF滤波算法仿真分析了抖动幅值、频率以及姿态敏感器测量频率对姿态确定精度的影响;提出了基于等效安装误差的卫星姿态确定方法来进行抖动条件下的卫星姿态确定,通过仿真验证了其有效性,是对抖动条件下卫星姿态确定方法的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及课题来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 姿态敏感器研究现状
• 1.2.2 卫星姿态确定方法
• 1.2.3 抖动对姿态确定精度的影响
• 1.3 论文的创新点和研究重点
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 卫星姿态描述及相关基础知识
• 2.1 引言
• 2.2 卫星基本参考坐标系及其转换关系
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 坐标系转换关系
• 2.3 卫星姿态描述
• 2.3.1 卫星姿态的欧拉角描述
• 2.3.2 卫星姿态的四元数描述
• 2.3.3 卫星姿态的罗德里格参数描述
• 2.3.4 卫星姿态的修正罗德里格参数描述
• 2.3.5 各参数之间的转换关系
• 2.4 卫星姿态运动学方程
• 2.4.1 欧拉角描述的运动学方程
• 2.4.2 四元数描述的运动学方程
• 2.4.3 罗德里格参数描述的运动学方程
• 2.4.4 修正罗德里格参数描述的运动学方程
• 2.5 卫星姿态动力学方程
• 2.6 本章小结
• 第三章 卫星姿态确定方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 静态姿态确定方法
• 3.2.1 基于姿态敏感器测量矢量的姿态确定方法原理
• 3.2.2 典型的静态姿态确定方法
• 3.3 基于简化误差修正的卫星姿态确定方法
• 3.3.1 敏感器的测量方程以及测量误差模型
• 3.3.2 姿态确定滤波器的设计
• 3.3.3 仿真结果与分析
• 3.4 基于修正罗德里格参数的卫星姿态确定方法
• 3.4.1 姿态确定滤波器的设计
• 3.4.2 仿真结果与分析
• 3.5 无陀螺条件下的卫星姿态确定方法
• 3.5.1 姿态确定滤波器的设计
• 3.5.2 仿真结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 抖动条件下卫星姿态确定方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 抖动对卫星姿态确定精度的影响
• 4.2.1 姿态抖动模型
• 4.2.2 实验仿真
• 4.3 基于等效安装误差的卫星姿态确定方法
• 4.3.1 姿态确定滤波器的设计
• 4.3.2 实验仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果