一种基于推力器控制的卫星质心在轨估算方法研究

为准确估计地球静止轨道(GEO)卫星在轨道机动过程中因燃料消耗产生的质心位置的变化,提出了一种基于推力器连续喷气的卫星质心在轨估算方法。采用推力器在固定时间内连续喷气工作方式以形成恒定的推力器作用力和力矩,根据陀螺测量值用最小二乘法估算推力器产生的星体角加速度值,采用产生正负向相反控制力矩的两个推力器同时工作,以减小对卫星姿态的扰动和三轴间的动力学耦合。给出了卫星质心计算公式,讨论了质心估算中的推力器推力位置测量误差、推力器推力矢量方向角度测量误差、成对工作推力器推力大小偏差、陀螺组合测量噪声、整星转动惯量计算偏差,以及卫星姿态动力学耦合特性等主要误差源对估算结果的影响。基于某GEO卫星的推力器数据,计算获得了在轨质心的总测量偏差。仿真结果表明:理论计算值与仿真结果的误差在允许范围内,方法有效,可广泛用于航天器的质心位置测量,方法有较大的工程应用价值。     

基于MME/EKF算法的卫星质心在轨标定

提出了一种基于MME/EKF的卫星质心在轨标定算法。首先以磁力矩器为执行元件给卫星施加一个明显大于干扰力矩的周期性力矩,将静电加速度计的量测信息分解为线性和周期性加速度,并将星敏感器标定后的陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,然后利用EKF算法求解卫星质心的位置。最后进行了数学仿真验证,仿真结果表明该算法不需要卫星的控制输入以及动力学特性信息,便能实现卫星质心较为精确的标定。     

GEO卫星在轨横向质心快速估算方法

针对地球静止轨道(GEO)卫星转移轨道段推进剂消耗量大,卫星横向质心偏移,导致变轨过程中发动机产生较大干扰力矩等情况,提出在轨使用推力器进行卫星横向质心估算的方法。为保证卫星姿态稳定控制,采用推力方向相同、力矩方向相反的成组推力器同时喷气激励,再用陀螺进行角速度测量,避免因力矩过大、控制系统暂停闭环控制时卫星产生较大的角速度。利用实例对横向质心估算方法进行仿真验证,结果表明:估算方法仅需10s的连续喷气激励,避免了卫星姿态的波动,估算误差可控,可用于GEO卫星转移轨道段的质心估算。     

一种重力测量卫星质心在轨标定改进算法

针对重力测量卫星质心在轨标定算法中存在的陀螺精度不高且易失效的问题,提出了一种应用星敏感器和静电加速度计的质心标定改进算法。在该算法中,将一个明显大于干扰力矩的周期性磁力矩,作用于卫星上;将星敏感器观测量代入预测滤波器中,估计卫星的角速度及角加速度;利用静电加速度计信息设计扩展卡尔曼滤波,从而实现卫星质心的标定。数学仿真结果表明:此算法能够对卫星的角速度及质心位置进行实时估计,卫星质心三轴最佳标定精度均优于0.05mm,可实现陀螺失效情况下卫星质心较为精确的标定。     

带挠性附件航天器在轨质量特性辨识

考虑挠性附件的振动,研究了航天器在轨质量特性辨识问题。利用推力器产生激励,采用陀螺仪、加速度计和振动信号传感器作为敏感器,设计了模态滤波器提取各阶模态响应。通过交互迭代,设计了转动惯量和质心位置的辨识算法;根据加速度计原理,设计了质量的辨识算法。采用批量最小二乘法对算法进行求解。该算法适用于模态参数已知、任意初始状态航天器的质量特性辨识。仿真结果表明算法收敛速度快、辨识精度高。     

基于推力器的组合航天器质量特性辨识方法研究

组合航天器的质量特性辨识对提高其姿态轨道控制的精度和快速性有至关重要的作用。对基于推力器的总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识进行了研究。基于推力作用下的平动方程可得到质心位置和总质量的耦合辨识方程,基于转动方程可得到转动惯量和质心位置的耦合辨识方程,通过对角速度和线加速度进行多次采样,利用最小二乘法求解这2类辨识方程可完成总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识。基于上述辨识原理,提出一种闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,通过设计合适的推力器工作策略,实现总质量、质心位置和惯量矩阵的解耦辨识,并采用一种不依赖于转动惯量的控制算法,使组合航天器的姿态在辨识结束后恢复到稳定状态。仿真表明,采用闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,可保证组合航天器在推力器激励后的姿态稳定性。在仿真采用的动力学干扰、推力器误差和敏感器误差下,总质量、质心位置和惯量矩阵的辨识精度可达到10-3量级。     

基于MME/KF的电推进器推力在轨标定算法

为了确保小推力量级电推进器在轨工作的有效性,提出了一种基于MME/KF（Minimum Model Error/Kalman Filter）的电推进器推力在轨标定算法。该算法对推力标定过程为:首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩作用于卫星上,同时姿态控制器发送指令给电推进器来保持卫星的稳定;然后将陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,并利用KF算法实现电推进器在轨标定;最后进行数学仿真。结果表明该算法在常规推力下可以提高在轨标定精度,并且可以实现小推力条件下的在轨标定。     

基于温度模型的10N推力器点火异常发现方法

为解决在轨卫星10N推力器点火异常无法及时发现的问题,根据10N推力器热平衡方程,考虑空间外热流、加热器加热、推进剂燃烧和向深冷空间热辐射等因素,应用10N推力器在轨实测温度数据,建立了精细化的10N推力器点火温度数学模型;进一步考虑测温热敏电阻测量误差,建立了10N推力器点火温度包络线模型;在此基础上提出了基于温度模型的10N推力器点火异常发现方法。该方法计算精度较高,绝对误差小于3℃,在10N推力器点火温度偏离正常趋势3～5℃后即可快速发现。以东方红3号平台某卫星为例进行了案例应用,所提方法计算得到的10N推力器点火温度理论值与实测值最大仅差2.72℃,证明所提方法预测精度较高,对于及时发现10N推力器点火异常、保证卫星轨道或者姿态控制的成功具有重要作用。     

高分七号卫星测绘体制与性能评估

回顾了我国光学立体测绘卫星研制历程,介绍了高分七号卫星系统总体方案,对卫星工作模式、主要设计参数进行了描述。比较单线阵、双线阵和三线阵测绘体制的优缺点,从基高比选择、激光测高辅助测绘两方面论证了卫星立体光学测绘体制选择的合理性。利用卫星在轨期间星敏感器、陀螺、激光测高仪、双线阵相机温度场等数据分析结果,对卫星在轨期间姿态测量、激光测高、结构稳定性等影响卫星立体测量精度的指标进行了评估。通过仿真评估,卫星可实现1∶1万比例尺精度要求,平面定位精度达到5 m,并通过激光辅助测高的支持,高程精度可以达到1.5 m。     

静止轨道卫星南北位置保持推力器效率补偿方法及应用

文章通过对南北位置保持原理和10N推力器工作原理分析发现,由于推进系统10N推力器安装位置差异等因素,使成对点火的推力器产生的控制力矩存在偏差,在控制过程中不可避免地会出现卫星姿态超调量过大的现象。针对某静止轨道卫星位置保持过程中卫星姿态超调量过大现象的分析,提出了南北位置保持的推力器效率补偿方法,在实际在轨操作中有效地解决了姿态角超调量过大问题。     

某卫星姿态角的确定和对测量部件的故障诊断

卫星三轴姿态的确定是对卫星进行姿态控制的基础,利用陀螺和红外敏感器互补的特性,并对测量所得到的数据进行处理,便可得到卫星姿态角的估计值。陀螺和红外地球敏感器是卫星姿态控制系统中关键的测量部件,两者的测量输出通过卫星运动学方程相关,有冗余关系,可以用于故障检测。本文对所设计的观测器进行了数值仿真,证实了其有效性,并直接利用所设计的观测器进行故障检测,首先得出陀螺和红外地球敏感器在各种故障下的输出残差曲线,然后分析陀螺和红外地球敏感器的不同故障对输出残差信号的不同影响,找出各种故障与不同输出残差的对应关系,从而确定发生故障的部件。     

基于陀螺和星敏感器的卫星姿态确定算法

主要研究了基于陀螺和星敏感器配置的卫星姿态确定算法.为保证卫星姿态确定的高精度,利用星敏感器提供的姿态四元数结合扩展卡尔曼滤波,对陀螺漂移进行实时补偿.并利用在轨数据,通过matlab数学仿真,验证了高精度滤波算法的有效性.所设计的滤波器能准确估计陀螺漂移,估计误差优于5.56×10-5(°)/s;姿态估计误差优于0....     

隔振平台对姿态控制系统影响分析及参数选择

为实现卫星的高精度高稳定度姿态控制,在控制力矩陀螺群(CMGs)和星体之间加装了隔振平台。首先依据整星动力学简化模型推得了隔振系统传递函数矩阵;然后分析了隔振平台的使用给姿态控制系统带来的影响,并提出了一种既能使CMGs隔振平台满足隔振要求,又能保证姿态控制系统充分稳定性的参数选择方案;最后通过数值仿真的方式验证了所提出的参数选择方案的合理性。     

基于UKF的航天器最小参数姿态矩阵估计方法

钊对航天器的惯性-星光姿态确定系统，选取基于矢量观测的最小参数姿态矩阵估计方法为定姿算法。但是由于系统模型是非线性的，针对系统模型的非线性，将UKF（Unscented Kalman Filter）与最小参数姿态矩阵估计方法结合，设计了一种针对MEMS陀螺和CMOS APS星敏感器的UKF姿念估计器。仿真结果表明：在敏感器精度较差的情况下，该UKF、姿态估计器能够满足大多数航天器对姿态确定精度的要求。此外，UKF和EKF（Extended Kalman Filter）的仿真对比结果表明：UKF滤波器的收敛速度高于EKF滤波器，状态估计的精度也优于EKF滤波器，且数值稳定性好。     

压缩感知与最小二乘联合的卫星姿态抖动估计

卫星在轨运行时姿态存在一定频率的抖动,目前的星敏感器和陀螺等测量仪器受限于测量频率,无法直接测量高频抖动。提出了一种压缩感知和最小二乘相结合的卫星姿态抖动估计方法。根据姿态抖动中的频率稀疏信息,通过压缩感知方法从姿态欠采样数据中恢复出抖动频率,进一步利用最小二乘方法,精确估计出卫星姿态的高频抖动。与单纯采用压缩感知方法或最小二乘方法相比,该方法提高了卫星姿态抖动的估计精度。     

三轴稳定通信卫星在地球搜索模式下的陀螺标定

本文介绍三轴稳定通信卫星在转移轨道远地点点火前，在地球搜索模式下的陀螺标定方法和计算公式。此种陀螺标定需进行两次姿态机动，利用太阳敏感器和速率积分陀螺遥测数据标定陀螺的常值漂移。     

捷联惯导系统光学陀螺带宽不一致研究

研究捷联惯导系统（SINS）三轴光学陀螺带宽不一致问题及解决方法。从光学陀螺传递函数入手,分析陀螺带宽不一致引起陀螺输出不同步,进而影响姿态更新精度的机理;推导出存在陀螺带宽不一致时姿态确定精度的理论估算方法,给出频带一致性指标要求的确定思路;提出通过插值和外推进行补偿的方法,提高了姿态确定精度。利用光纤陀螺和激光陀螺组合实测数据进行姿态解算,通过补偿减小了系统的姿态确定误差,提高了导航精度,验证了理论分析的正确性。     

基于星敏感器/陀螺组合的一种半确定性卫星定姿方法

针对星敏感器/陀螺典型卫星姿态确定系统配置,考虑确定性方法的离散性及状态估计法对模型准确程度的依赖性,提出了一种半确定性姿态确定方法.以四元数为姿态描述参数,用基于Taylor展开近似的线性回归修正陀螺预报的姿态,并用修正的姿态信息反推出陀螺漂移量.仿真结果表明:该算法实现简单,无需实时递推滤波器增益阵,计算速度快,定姿性能较佳,可有效提高陀螺的姿态预报精度.     

Dual attitude and parameter estimation of passively magnetically stabilized nano satellites

The attitude determination capability of a nano satellite is limited by a lack of traditional high performance attitude sensors, a result of having small budgets for mass and power. Attitude determination can still be performed on a nano satellite with low fidelity sensors, but an accurate model of the spacecraft attitude dynamics is required. The passive magnetic stabilization systems commonly employed in nano satellites are known to introduce uncertainties in the parameters of the attitude dynamics model that cannot easily be resolved prior to launch. In this paper, a batch estimation problem is formulated that simultaneously solves for the attitude of the spacecraft and performs parameter estimation on the magnetic properties of the magnetic materials using only a measurement of the solar vector. The estimation technique is applied to data from NASA Ames Research Center's O/OREOS nano satellite and the University of Michigan's RAX-1 nano satellite, where clear differences are detected between the magnetic properties as measured before launch and those that fit the observed data. To date this is the first known on-orbit verification of the attitude dynamics model of a passively magnetically stabilized spacecraft.     

空间冗余陀螺仪在轨标定方法

针对航天器冗余陀螺仪误差系数的在轨标定问题,利用模型置换方法建立 了冗余情况下的隐式标定模型,该模型结构简单,能够充分利用所有陀螺仪的测量信息。并 以美国EOS-AQUA卫星的冗余陀螺仪为背景,利用仿真方法分析了该模型的优良性能。结果表 明,利用模型置换方法能够有效提高误差系数标定精度,相对误差小于10％。