Linearization errorʼs measure and its influence on the accuracy of MEKF based attitude determination method

Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF) is one of the most widely used satellite attitude estimation methods. However, the linearization error?s influence is an inherent limitation of this method. In this paper, we aim to analyze this linearization error in the typical satellite attitude determination system with star sensors and gyros. The formulation of linearization error is first derived and the curvature metric is then employed to measure the linearization error. Additionally, we show the reason why linearization error has influence on the performance of MEKF. Based on these analyses, we point out that star sensors? sampling frequency, initial estimated error and accuracy of gyro?s measurement model are the factors that could enlarge the system model?s linearization error. They all affect the linearization error and attitude determination accuracy by decreasing the predicted accuracy. More concretely, the influence of star sensor?s sampling frequency is large, while initial estimated error and gyro?s measurement error within a certain range have little influence on MEKF. Finally, combined with plenty of experiments, validity of the above analyses is verified.     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

基于OTHR与纯角度传感器群数据关联的模式辨识与定位精度提升

 天波超视距雷达(OTHR)目标跟踪面临着"三低"(低检测概率、低数据率和低测量精度)和"多径"(多条传播路径)的挑战,因此传播模式的准确辨识与目标定位精度提升是改善跟踪能力的关键。首先利用纯角度传感器群获得目标地理位置的初步估计,然后采用极大似然估计建立了OTHR的传播模式和杂波模式的辨识规则,进而利用最小方差估计准则实现OTHR和纯角度传感器群的量测融合。仿真结果表明,此算法的模式辨识正确率很高,能明显提升方位角的测量精度,但是不能明显提升径向距的精度。     

星点坐标辅助的全天区三角形星图识别算法

随着当前星敏感器视场（FOV）的增大,探测能力的提高,一帧图中拍摄到的恒星更多。但是受星敏感器光谱范围的限制及空间环境干扰影响,星等测试精度一般不高于0.2 mV。为了充分发挥当前星敏感器视场和探测能力的优势,并避免星等误差的影响,提高全天区星图识别算法在线应用的适用性,提出了一种星点坐标辅助的全天区三角形星图识别算法。该方法采用"全局初步搜索识别—局部精细匹配验证—最优结果选取"的算法思想。首先,根据星敏感器探测到的极限星等范围构建导航星表,选取亮星构建角距星表,既确保了星表的完备性,又有利于充分利用星敏感器的探测能力。然后,在三角形约束条件下进行角距匹配识别,得到一个或多个导航三角形,在该识别环节提出了非线性矢量法查找星表,既提高了定位精度,又能采用单精度数据类型降低存储空间。最后,提出局部天区星点坐标匹配算法进一步消除冗余匹配,同时又识别出视场内更多的观测星,有利于提高识别率和定姿精度。试验结果表明,与其他一些经典的星图识别算法相比,所提算法在识别率和星表容量方面更有优势。识别率可达99.9%,且随着星等的增加,存储容量增加的最少。所提算法更加适于大视场、高星等敏感范围的星敏感器在线应用。     

一种全天时星跟踪器相对惯导的安装阵在线快速估计方法

全天时星跟踪器与捷联惯导组成的惯性/天文组合导航系统具有精度高、自主性强等优点，在飞机、无人机、船舶等领域具有广泛的应用前景。组合导航系统长时间工作中力热变化导致安装矩阵漂移进而影响导航系统精度，全天时星跟踪器由于天空光影响视场小，一次只能观测一颗恒星，无法根据一副星图直接进行安装阵估计。提出了一种基于Levenberg-Marquart （L-M）算法的捷联惯性/天文组合导航系统安装阵在线快速高精度估计方法，利用捷联惯导姿态测量值，将不同时刻的观测星矢量转移到同一时刻同一坐标系中，构造多颗观测星的观测矢量误差与导航星矢量最小二乘目标函数，利用自适应步长的L-M算法对其进行迭代求解，实时得到系统安装矩阵的变化量。试验结果表明，使用该方法后星跟踪器在捷联惯导本体坐标系的输出恒星投影矢量精度提升了1倍以上，在线估计时间优于5 ms，满足用户实时性和高精度要求。     

An all-sky autonomous star map identification algorithm

The attitude of the spacecraft can be obtained with accuracy by using star sensors. Its key technology is how to identify stellar maps. Triangle algorithm is used most widely in the current star map identification algorithms. In the field of physical geography modelling, Delaunay triangulation cutting algorithm has been widely used because of its important characteristic; the result of this triangulation cutting method is unique from a random set of points. This triangulation algorithm is first applied to identify star map for its particular character. In final, the proposed method is applied to simulation; the results show that compared with the current star map identification algorithms, the algorithm presented in this paper has the advantage of real-time properties and robustness. It needs a smaller database of guidance stars and matches more rapidly.     

三轴稳定卫星的星敏感器对地定姿精度分析

给出利用星敏感器进行惯性姿态和对地姿态确定的流程,重点分析了惯性姿态向对地姿态转换过程中的误差传播关系,给出了相应的误差传播矩阵和误差传播影响因子。仿真表明,由于坐标转换时引入轨道参数误差,误差传播影响因子一般在1~2之间,因而使得对地定姿精度较惯性定姿精度稍低。     

激光陀螺机械抖动偏频对等效转动矢量姿态计算的影响

研究了激光陀螺机械抖动偏频影响等效转动矢量姿态计算精度的机理。用双子样N次迭代算法推导了载体实际姿态角运动与机械抖动发生谐振时产生的姿态计算误差项,指出其误差作用机理与惯性导航比力方程计算中划摇误差的相似性。针对三轴激光陀螺共一个机械抖动轴和3个单轴激光陀螺构成惯性组合两种情况进行了讨论。根据对静态条件下惯性组合中激光陀螺采样信号的功率谱密度分析,指出当采样频率较低时,会产生与抖动有关的低频周期分量,与低频的载体姿态运动谐振将产生姿态计算误差,应尽量提高采样频率及等效转动矢量计算频率。     

基于Rodrigues参数的姿态估计算法

 以Rodrigues参数作为姿态描述参数提出一种快速的全姿态估计算法。Rodrigues参数具有简洁高效的特点,但它具有奇异性,不适用于大角度情况。首先将序贯旋转方法和Rodrigues参数相结合,提出了一种简洁、无奇异的姿态描述方法。然后应用该姿态描述方法,针对“矢量观测+陀螺”这种典型的姿态测量方案,讨论飞行器的姿态估计问题。在姿态估计算法设计中,给出了陀螺模型和观测矢量模型,推导了状态和状态误差协方差阵的预测方程和量测更新方程,并提出了预测方程的一种高效积分方法。仿真结果表明在估计精度等同的条件下,该姿态估计算法比四元数算法效率大约提高10%。     

弹载大视场星惯组合深度融合导航技术

为了降低弹载星惯组合（Stellar-INS）飞行中段对调姿观星的要求，提高星惯组合姿态精度，提出了大视场（LFOV）星惯组合深度融合导航方法。小视场（NFOV）星敏感器输出星矢量为主，大视场星敏感器可同时输出姿态和星矢量信息，分别推导了基于星敏感器输出姿态和星矢量信息的观测方程，分析了星矢量和姿态观测方法之间的关联性。建立了包含星惯安装误差、陀螺误差以及初始平台误差角的星惯组合全误差项模型，基于线性卡尔曼滤波给出了深度融合导航方法。开展了数学仿真验证，分析了不同调姿观星路径约束下，大/小视场星惯组合性能差异。结果表明，大视场星惯组合深度融合导航方法不仅可以降低调姿观星约束要求，还可以实现组合姿态性能提升。     

根据同时观测信息确定航天器 姿态四元数的一种解析方法

介绍根据星敏感器同时观测几颗恒星的方向信息,用最小二乘法确定飞行器姿态的经典Wehba问题.针对用四元数描述飞行器姿态的情况,推导了的一种解析算法.观测5颗恒星实例的仿真结果表明,该算法能保证飞行器体轴系相对惯性系姿态的高精度.     

Interlaced optimal-REQUEST and unscented Kalman filtering for attitude determination

 Aimed at low accuracy of attitude determination because of using low-cost components which may result in non-linearity in integrated attitude determination systems, a novel attitude determination algorithm using vector observations and gyro measurements is presented. The various features of the unscented Kalman filter (UKF) and optimal-REQUEST (quaternion estimator) algorithms are introduced for attitude determination. An interlaced filtering method is presented for the attitude determination of nano-spacecraft by setting the quaternion as the attitude representation, using the UKF and optimal-REQUEST to estimate the gyro drifts and the quaternion, respectively. The optimal-REQUEST and UKF are not isolated from each other. When the optimal-REQUEST algorithm estimates the attitude quaternion, the gyro drifts are estimated by the UKF algorithm synchronously by using the estimated attitude quaternion. Furthermore, the speed of attitude determination is improved by setting the state dimension to three. Experimental results show that the presented method has higher performance in attitude determination compared to the UKF algorithm and the traditional interlaced filtering method and can estimate the gyro drifts quickly.     

两种多天线GNSS动态定姿方法的比较

针对移动载体对姿态的需求,对两种多天线GNSS动态定姿方法,即直接法和最小二乘迭代法进行了研究.分析了定姿的原理,给出了姿态解算模型.基于车载四天线GNSS的实测数据,分别用两种方法进行了姿态解算,并用同一运动平台高精度惯导给出的姿态作为参考值,对两种定姿方法的精度和可靠性进行了分析和比较.     

Star recognition algorithm for APS star tracker: oriented triangles

An efficient star pattern recognition algorithm is presented. The purpose of this algorithm is to make sure of the compatibility of the software and the imaging sensor noise level. The new CMOS APS sensors have not currently reached the same accuracy as the former CCD sensors in position as well as in magnitude determination, especially in the dynamic stages. This algorithm allows the system to recognize the star pattern 20% faster than with reference algorithms. No false recognition has been noticed. Used databases have a size 5 to 10 times smaller, depending on other reference algorithms. Oriented triangles are used to compare the measured star pattern with the catalogue stars. The triangle's characterization criteria propose several solutions in a first time. A unique solution is selected by means of identification and validation methods in a second time. First results, presented hereinafter, are very encouraging, and this algorithm may be used in the future APS star trackers. APS star tracker robustness is significantly enhanced by this method during the critical navigation phases     

飞控-飞机低阶等效系统的在线辨识

以飞控—飞机低阶等效系统为背景，采用Taylor展开法研究了带纯延迟环节的二阶系统的在线辨识。采取了对低信息点进行抛弃，变步数起动等算法对传统的最小二乘法加以改进，大大减少了辨识过程中产生的误差，更适合于实时辨识。实际应用结果表明：该方法可以有效地对具有时变特性的带纯延迟的非线性系统加以辨识，辨识结果满足工程要求。     

星上光学有效载荷的两级隔振研究

为实现星上光学有效载荷的高成像性能,对星上光学有效载荷的两级隔振进行了研究。所谓两级隔振,即除了对控制力矩陀螺群(CMGs)等执行机构振动源进行隔振外,还在光学有效载荷和星体之间加入隔振装置。首先建立了含有两级隔振系统以及CMGs和太阳帆板的整星动力学模型,并采用ADAMS工程软件验证了所推导模型的正确性;其次,在合理假设的基础上简化模型,分别求得由扰动源到星体和有效载荷的传递函数矩阵,分析CMGs隔振平台参数变化对姿态控制系统的影响,选择合理参数分析两级隔振系统的频域特性;最后通过数值仿真分析了两级隔振系统在星上应用的可行性,并通过频谱对比分析两级隔振系统对光学有效载荷姿态稳定度的改善程度。     

空间站姿态控制的一种新算法

以四元数作为定位参数对空间站进行姿态控制。首先给出了以四元数表示的系统动力学西式其次提出了非线性三轴姿态控制方法,该方法是以四元数作为反馈量,控制力矩陀螺作为执行元件,利用李亚普诺夫函数对非线性系统进行控制,为大型航天器的姿态控制开辟了新的途径;最后以一空间粘为例进行了姿态控制仿真计算,从而说明以四元数为定位参数的空间站姿态控制方法具有计算速度快、计算精度高等优点。     

基于角增量提取的旋转矢量算法研究

在某些由光纤陀螺或微机电陀螺组成的捷联航姿系统中,陀螺输出的是角速率。针对这种情况,归纳了基于角增量提取的二子样、三子样和四子样旋转矢量姿态算法,推导了这些算法的圆锥误差表达式,比较了它们的性能。     

基于EKF的小型涵道式无人机航姿系统算法研究

针对小型涵道式无人机,设计了一种基于扩展Kalman滤波的航姿估计算法。采用四元数作为状态变量,利用陀螺仪的输出构成状态方程,通过加速度计与磁阻传感器构造观测方程来进行扩展Kalman滤波解算。相对于通常的航姿估计算法,这种算法减少了运算量,更适合于基于嵌入式微处理器的航姿估计。实验结果表明这种算法有效的抑制了航姿系统的各种噪声与干扰,同时保证了姿态输出的精度与实时性,可以为小型无人机提供准确的航姿信息。