基于太阳电池板与磁强计的小卫星姿态确定算法研究

直接将太阳电池板电流作为量测量进行姿态确定，不仅可观性不高，也不利于计算量的减少。分析了利用太阳电池板测姿的原理；以立方体微小卫星为例，分析了由多个太阳电池板电流估计太阳矢量的问题，提出了受限最小二乘法。将所估计的太阳矢量与磁强计输出结合，进行双矢量定姿滤波。利用软件STK（Satellite Tool Kit）数据对算法进行了仿真，与直接将太阳电池板电流作为量测值的算法进行了对比。结果表明：该算法有效地提高了定姿性能。     

月面巡视器太阳板对日定向规划算法

针对月面巡视器太阳板对日定向问题,提出了一种规划算法。分析了规划指标与约束条件,约束条件包括太阳入射角约束和太阳板机械转动约束;推导了在车体姿态不变情况下的定向算法,通过将太阳板运动转换为平面上的矢量旋转,实现对日定向;利用巡视器原地转向运动弥补太阳板单自由度转动的不足,将车体运动与太阳板法向矢量轨迹投影至球面,得到车体原地转向时的定向规划算法。仿真结果表明:文章提出的算法能够实现指定约束下的对日定向;对于无法实现理想对日定向的情况,算法也能够获得太阳板的次优规划。     

太阳矢量在行星际探测器姿态估计中的应用研究

在基于矢量观测的行星际探测器姿态确定中,参考矢量的几何关系是影响姿态估计精度的一个重要因素。针对这一问题,本文提出了一种利用太阳矢量来提高探测器姿态估计精度的最优算法。该方法在引入太阳矢量的基础上,将星敏感器测得的姿态四元数转化为两个互相垂直的参考矢量,并根据敏感器的测量精度计算相应的规范化权值系数;结合姿态四元数估计算法,给出最小二乘意义下的探测器最优姿态估计。最后,以深度撞击任务的实际飞行数据对本文所提算法进行验证。仿真结果表明,引入太阳矢量后的三轴姿态角估计误差小于150μrad,完全满足深度撞击任务的要求。     

月面巡视探测器太阳帆板热电耦合仿真计算

文章建立了月面巡视探测器太阳帆板热电耦合计算模型,制定了太阳帆板的对日定向方案和输出电能分配方案,通过数值模拟获得了月面白昼期间太阳帆板的温度及电能输出,分析了太阳帆板背面包覆隔热材料前后及帆板是否对日定向等方案的计算结果。计算表明,当帆板不对日定向时其背面包覆隔热材料对其温度场及电能输出无明显影响,对日定向时帆板温度随时间的分布规律发生了明显改变,此时帆板背面包覆隔热材料使其温度明显上升,但帆板顶面与背面的温差减小。     

Three-axis attitude determination using incomplete vector observations

Attitude determination refers to determining the orientation of a vehicle relative to its reference coordinate system. This paper presents a new algorithm for three-axis attitude determination using measurement vectors composed of incomplete vector components. The attitude determination performance of the proposed algorithm is compared with those of the TRIAD and QUEST algorithms in a simulation.     

月面巡视探测器太阳帆板热电耦合仿真计算

文章建立了月面巡视探测器太阳帆板热电耦合计算模型,制定了太阳帆板的对日定向方案和输出电能分配方案。通过数值模拟获得了月面白昼期间太阳帆板的温度及电能输出,分析了太阳帆板背面包覆隔热材料前后及帆板是否对日定向的计算结果。计算表明:当帆板不对日定向时,其背面包覆隔热材料对其温度及电能输出无明显影响;对日定向时,帆板温度随时间的分布规律发生了明显改变,此时帆板背面包覆隔热材料使其温度明显上升,但帆板正面与背面的温差减小。     

基于地磁场测量估计卫星姿态的UKF算法

提出了利用UKF（Unscented Kalman Filter）处理地磁场测量数据进行低轨道（LEO）卫星自主定姿的算法。通过使用估计姿态、轨道参数和国际地磁场参考（IGRF）计算得到的地磁矢量与三轴磁强计（TAM）的测量矢量之差作为更新信息，可以实现实时的姿态角和角速度估计。针对卫星稳态定姿、大角度快速机动的定姿以及姿态失控状态下的定姿等三种任务，分别用UKF和传统的EKF（Extended Kalman Filter）进行了数值仿真。仿真结果显示出本文提出的定姿算法的优越性。     

Attitude Determination for Satellites in the INTERBALL Project from a Limited Set of Measurements

The determination of the orientation of satellites in the INTERBALL project from a limited set of measurements is discussed. It is shown that the full set of attitude parameters can be obtained by processing only the solar sensor data. The accuracy of corresponding parameters is estimated from alternative measurements.     

基于偏振光及重力的辅助定姿方法研究

提出了一种以太阳方向矢量为基准的偏振光导航方法,该方法利用太阳方向矢量物理意义明确的特点,消除了直接利用偏振光进行导航定向时存在的180°模糊性问题。为完全观测载体姿态,同时引入了重力观测量,提出了利用偏振光及重力矢量联合辅助定姿的方法,并详细推导了该方法的观测方程,同时给出了当姿态误差较小时,观测方程的简化线性形式。利用该姿态观测方程,设计了基于偏振光及重力辅助定姿的偏振光/GPS/SINS组合导航算法。理论分析及仿真表明,通过引入偏振光及重力矢量进行辅助定姿,导航系统可以直接观测载体的平台姿态误差,进而增强了系统对载体姿态的估计性能,且使得组合导航系统可以完成大初始姿态误差时的导航任务。     

考虑太阳帆板振动的空间绳系拖曳动力学与控制

针对使用空间绳网捕获带有太阳帆板等柔性附件的大型失效航天器的碎片清除任务,充分考虑了拖曳过程中柔性附件产生的振动对系统的稳定造成的影响。首先采用凯恩方法建立了失效航天器绳系拖曳系统动力学模型,在建模过程中充分考虑系绳的质量和振动、帆板的振动、系统的轨道运动对姿态的影响等,使动力学模型更加详细和完整,且该动力学模型不受失效航天器所处位置的限制,适用于任意轨道上的失效航天器的拖曳离轨任务;之后根据平衡状态的特点,求取了系统的平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化,然后采用李雅普诺夫方法分析了系统的稳定性及各参数的变化规律;并针对失效航天器可能产生的姿态章动设计了常值张力切换控制律;最后采用数值仿真的方法分析了失效航天器的帆板振动对绳系拖曳过程的影响,校验了控制律的有效性。     

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.     

柔性多体卫星自抗扰控制系统的研究

设计了一种新型的姿态控制器一姿态自抗扰控制器。采用简化了的刚体动力学模型，即把柔性太阳帆板与柔性天线等的振动都看作外干扰，对象的不确定性、未建模动态与外干扰的总量都由自抗扰控制器估计出，再用该估计总量实现动态反馈补偿。该姿态控制器，只需控制输入转换矩阵的估计值，无需精确的卫星动力学模型。改变星体转动惯量或设置干扰力矩情况下的数学仿真表明，所设计的自抗扰控制器具有较小的稳态误差、较快的动态响应及对干扰有较强的抑制能力。     

对日观测卫星无陀螺姿态确定算法研究

研究了两种无陀螺姿态确定算法:Kalman滤波算法和二阶差分算法。基于某对日观测卫星,将“陀螺 太阳导行镜”组合Kalman滤波算法与以上两种无陀螺定姿算法进行了仿真比较。结果表明,Kalman滤波算法和二阶差分算法均能较好地实现对日观测卫星三轴姿态角和姿态角速度的估计。     

基于模糊逻辑的月球车逆运动学求解方法

研究了月球车逆运动学问题，即在月面数字地形图、月球车水平面坐标和航向角给定时，实时估计6轮摇臂转向架式月球车质心高度、位形（configuration）和姿态中的俯仰角和横滚角的问题。分析了6轮摇臂转向架式（rocker-bogie）月球车运动学模型，提出使用模糊逻辑结合虚拟传感器快速实时求解月球车逆运动学问题的新方法。此方法在月球车三维仿真平台中得到验证。实验结果表明此方法求解速度小于1／40s，同时保证月球车车轮到地面的距离小于0．02m。     

折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅰ)——计算模型

将太阳电池板蜂窝芯子、面板和硅电池片中发生的辐射－传导复合传热过程等效为一个无内热源的三维瞬态热传导问题。根据电池板的材料、尺寸及结构形态导出太阳电池板的三维等效导热系数。针对任意两相邻电池板表面间的热辐射交换规律，构造适用于这表面内节点温度的离散方程系数。研究折叠状态太阳电池阵边界节点的热特点时，仔细考虑了地球红外辐照、地球的太阳反照、太阳辐射加热、航天器舱体几何遮挡、深冷环境散热、飞行轨道高度及航天器在太阳－地球系中不同位置等造成的影响。利用本文给出的方程，可以求出展开前在轨折叠状太阳电池阵三瞬态不稳定温度场。     

利用着陆器立体视觉对月面巡视探测器定位

在月面巡视探测器漫游过程中,需要测量月面巡视探测器的位置和姿态信息,以使巡视探测器行驶在规划好的路径上,并确保其安全。定位系统可以采取多种方式。在文章中,利用着陆器立体视觉系统对月面巡视探测器定位方法进行了研究,它采用立体视觉测量技术以及彩色图像分割的方法,进行跟踪测量月面巡视探测器位姿信息,能够对惯导系统加里程计的定位方法进行修正,减小月面巡视探测器的计算工作量。在定位方法的研究中,采用彩色图像分割方法对月面巡视探测器进行识别,能够适应变光照条件,并且运算速度快,达到实时图像伺服控制的目的。通过月面巡视探测器上制作特征点及采用基于四边形约束的特征点匹配方法,提高了图像匹配概率。通过卡尔曼滤波技术,能够满足任意时刻的月面巡视探测器定位要求。     

绳系空间太阳能电站动力学响应分析

利用绝对节点坐标方法研究绳系空间太阳能电站在轨飞行的太阳能电池板动力响应。通过勒让德变换引入广义动量,在约束哈密尔顿体系下建立轨道、姿态和弹性振动耦合的动力学方程。基于祖冲之类方法的思想,结合辛龙格-库塔方法对微分-代数方程进行数值求解。数值算例说明本文建模方法和数值算法都是有效的,能很好地保持系统约束和能量。最后分析了绳长、平台系统的质量、轨道高度对于梁中点挠度和轴向平均应变的影响。     

折叠太阳翼支承点分布优化分析

为了研究支承点分布对折叠太阳翼固有频率的影响,以典型两折叠太阳翼结构为研究对象,根据能量守恒原理和Rayleigh-Ritz理论推导出两折叠太阳翼的振动方程和频率方程。对折叠太阳翼固有特性及支承点分布对其固有特性的影响进行深入分析,并以基频最大为目标对其支承点的分布进行优化,获得最优支承位置。算例分析表明,在给定支承点分布情况下,理论计算结果与有限元分析结果具有较好的一致性。研究结果可为折叠太阳翼支承点分布的设计提供理论分析依据。     

绳网拖曳带帆板失效卫星的波动控制

针对带有柔性太阳帆板的失效卫星，提出了一种基于波动控制理论的控制方法，同时实现了绳网拖曳过程中稳定碎片姿态与抑制帆板振动两个目标。首先，提出一种新的绳网简化结构，用Kane方法建立了动力学模型，使其能够在保证运算效率的同时具有更高的精度。然后，针对系统特性设计了波动控制策略，仅需要输入系绳张力的大小和方向，便能通过拖船位置的改变来消除失效卫星的自旋和帆板振动。最后，通过数值仿真验证了控制律的有效性。仿真结果表明，在控制律作用下的拖曳过程中，失效卫星的姿态能够快速稳定，同时帆板的振动也得到了良好的抑制。     

基于星间无线电测距的卫星自主定轨与导航

提出了在空间数据链中基于星载无线电测距实现低轨卫星的自主定轨方法。通过星上天线发送和接收网内其他卫星的通信数据，从中获取相互间的距离信息，应用推广Kalman算法确定卫星的位置和速度，实现卫星间的互相定位。以铱系统为背景，针对所提出的两种不同组网方式进行了具体的仿真，并与GPS定轨相比较，得出了几点结论。