基于恒星矢量差分的星敏感器星跟踪算法研究

针对现有星跟踪算法依赖外部信息、模型复杂等缺点,结合卫星平台实际,提出了一种新的星敏感器内部星跟踪算法,利用星矢量与角速率间关系进行星点预测。先根据当前帧和前一帧的星矢量,用最小二乘原理估算出角速率,再对角速率进行卡尔曼滤波以减小估计误差,之后用滤波后的角速率预测下一帧的星矢量,将星矢量转为星点坐标,最后在以该坐标为中心的波门中提取星点。讨论了角速率估计误差、截断误差、星点成像随机误差和定姿星数等因素对算法精度的影响。该方法不依赖外部信息进行预测,模型简单,易于实现。实验验证在星敏感器角速率为0.6(°)/s时,平均跟踪精度0.55像素,证明了其有效性。     

CMOS探测器星敏感器的跟踪窗口星图处理方法

近年来，商业航天微小卫星已经实现了轻小型化、低成本、快速研制等目标，但是在卫星姿态控制方面受制于星敏感器等测量敏感器的精度水平，无法实现高精度的测量与控制。为满足微小卫星在轨飞行中高精度姿态测量和大角速度运动的要求，本文提出了适用于CMOS探测器星敏感器的跟踪窗口星图处理算法方案，设计了基于姿态信息和导航星库，通过坐标系旋转和透视投影变换，预测探测星点成像位置，设置CMOS探测器跟踪窗口的方法，根据跟踪窗口设置，完成预测恒星所在图像子区域的像素灰度数据采集和背景灰度值的计算。采用这种方法后，恒星成像质心精度得到了提高，加快了星点提取质心的图像处理速度。通过试验室动态光星模和外场观星试验验证。试验结果表明:该算法提升了星敏感器的精度( )和动态性能(3 (°)/s)，同时提高了全天识别的概率和跟踪数据有效率。     

陀螺与星敏感器组合定姿及陀螺漂移估计

研究基于PI滤波估计陀螺角速率漂移的陀螺与星敏感器组合定姿算法,首先推导了陀螺角速率漂移与姿态偏差四元数之间的关系,并基于姿态偏差四元数和PI滤波估计陀螺角速率漂移;接着给出了分别基于J2000惯性系和轨道坐标系的星敏感器与陀螺组合定姿算法和姿态偏差四元数求解方法;最后进行了工程应用方式分析和仿真验证。本文基于PI滤波的组合定姿算法简单,易于工程实现,并已通过在轨考核验证。     

基于四元数估计角速率的陀螺故障定位

当卫星速率积分陀螺的配置冗余度不满足一致性检验条件时，不能单纯利用硬件冗余实现陀螺的故障定位。鉴于角度和角速度敏感器的输出通过卫星运动学相关，本文利用姿态测量敏感器的输出来诊断陀螺故障。首先根据姿态测量敏感器的输出得到卫星姿态四元数，进而根据四元数动力学方程得到粗略的姿态角速度信息，并将此角速度作为输出信息用于对卫星动力学方程的滤波，从而得到较精确的角速度信息，为单冗余度陀螺组件的故障定位提供解析冗余信息。利用四元数方法可以避免出现奇点。仿真结果证明了该方法的有效性。     

小型化星敏感器技术

对小型化星敏感器的软、硬件及光学设计技术进行了研究.通过光学系统中高稳定的光机结构设计、大通光孔径低畸变的镜头和40°太阳保护角的遮光罩设计达到光学指标.硬件设计采用轻小型低功耗电路、FPGA完成图像采集和星点提取技术,软件设计采用改进型全天识别算法、具快速主动预估功能的星跟踪技术.小型化星敏感器产品地面验证及应用结果表明:产品的主要性能达到指标要求.     

基于星体角速度估计的陀螺故障诊断

为在星载惯性基准单元(IMU)正常工作的陀螺的冗余度不满足奇偶方程法条件时诊断陀螺故障，通过卫星稳态运行期间高精度星敏感器输出的姿态四元数信息，根据卫星姿态运动学和动力学方程，采用非线性广义卡尔曼滤波(EKF)得到星体角速度的估计值。在此基础上，通过设计的故障诊断器对陀螺故障进行定位。仿真结果表明，该法可检测陀螺的突变和缓变故障。     

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.     

动态因素对星敏感器测星影响的分析

在捷联惯导系统中,星敏感器直接固定在弹体上,在动态环境下工作.本文根据光学成像原理、快门速度和图像传感器上星点移动速度等,建立了动态条件下星敏感器所获星点光斑的数学模型.通过计算机仿真得出了曝光时间与动态星点像元能量最大值的关系、不同曝光时间下的动态星点定位精度.仿真结果表明,动态星点像元能量最大值不能随着曝光时间的延长始终增大,动态星点形变对星点定位精度的影响可以忽略.     

基于星敏感器角速度估计的陀螺故障诊断

当星载惯性基准单元 (IMU)正常工作的陀螺的冗余度不满足奇偶方程法条件时 ,无法进行陀螺的故障诊断。本文通过卫星稳态运行期间高精度星敏感器输出的姿态四元数信息 ,根据卫星姿态运动学方程和姿态动力学方程 ,采用非线性广义卡尔曼滤波 (EKF)得到星体角速度的估计值。在此基础上 ,通过设计的故障诊断方案对陀螺故障进行定位。数学仿真验证了这种方法的有效性     

基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述及算法研究

针对编队飞行微小卫星,突破轨道姿态分而治之的传统模式,利用对偶四元数,提出了主从星间的相对位置和姿态统一描述方法,建立了对偶四元数卫星编队运动学模型。该方法区别于描述刚体纯旋转变换的四元数方法,将主从星的本体系之间坐标变换的旋转和平移过程进行融合、统一,并具有非常简洁的形式。同时,给出了求解模型的算法,解算出主从星间的相对位置和姿态。仿真结果表明该模型及算法科学合理,能够满足编队飞行的测控要求。     

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....     

基于四元数的UKF多传感器卫星姿态确定

对采用磁强计和太阳敏感器的卫星姿态模型,应用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法确定卫星姿态。由四元数描述姿态,在算法中将其转换成旋转矢量,另设计了四元数求均值的迭代算法,解决了四元数在UKF算法中的处理。仿真结果表明:广义卡尔曼滤波(EKF)算法对初值依赖性较大,UKF算法不受初值影响且精度高于EKF,具快速性、精度高和稳定性强等优点。     

一种微型航天器姿态跟踪的四元数实现方法

针对航天器姿态跟踪问题，建立了基于误差四元数的姿态控制系统二阶数学模型。基于现代控制理论，通过设计四元数状态反馈控制器对姿态控制系统的极点进行配置，实现航天器姿态的稳定跟踪。仿真结果表明，设计的状态反馈控制器能够实现微型航天器的高精度姿态跟踪控制。     

无陀螺卫星姿态的二阶插值非线性滤波估计

采用四元数作为姿态描述参数，提出了一种确定无陀螺卫星姿态的新方法，即二阶插值非线性姿态估计算法，它能够利用星敏感器提供的矢量观测信息准确地估计三轴稳定卫星的姿态。这种姿态估计算法的实现非常简单，其运算量与传统的扩展卡尔曼滤波姿态估计算法相当，但滤波性能却与基于二阶泰勒级数近似得到的非线性姿态估计算法一致。而且，在二阶插值非线性姿态估计算法中，不会遇到由四元数正交约束所造成的协方差阵奇异性问题。     

未知纬度下基于四元数解算的SINS对准方法

针对未知纬度下SINS对准问题,提出了一种基于旋转四元数地轴矢量解算的对准方法。该方法以惯性系下重力矢量连续观测为基础,构建以地轴矢量为旋转轴的旋转矢量序列,利用QUEST算法求解旋转四元数实现对地轴矢量的优化解算,并根据空间关系建立导航系轴向矢量的惯性系投影,最后利用陀螺跟踪载体系相对惯性系的变化,确定载体系相对导航系的姿态关系。仿真实验表明基于四元数解算的对准方法相对于传统的两步对准方法及几何解析对准方法,在对准精度与算法稳定性上都表现出较强的优越性,工程适用性较强。     

使用姿态敏感器的自主卫星导航和轨道保持

本文提出使用姿态敏感器作为测量仪器,结合星载计算机来完成自主卫星导航(ASN)和轨道保持的方法。根据平均轨道根数理论和测量关系式建立ASN离散、线性化数学模型,利用条件正态过程的滤波定理,证明在有轨道控制和敏感器跟踪的条件下,轨道变量的递推滤波仍具有无偏最小方差特性。另外,针对姿态确定随机误差对ASN系统的影响,给出一种自适应自主导航算法选。择典型的地球探测卫星轨道,进行Monte-Carlo模拟,结果表明:系统工作性能良好。     

伴飞卫星自主相对导航衰减记忆滤波算法

为实现伴飞卫星的自主相对导航,基于C-W方程提出了一种在伴飞卫星轨道系中建立简化的相对运动方程构成星上轨道递推、根据导航敏感器输出进行量测更新的导航滤波器,并利用衰减记忆滤波算法抑制系统模型误差对相对导航结果的影响。仿真结果表明,该滤波算法可实现伴飞星的自主相对导航。它不仅较C-W方程更简单,而且适于模型不准确时的相对导航,工程实现易。     

矢量观测确定卫星姿态的预测粒子滤波算法

在矢量观测的基础上,针对单独的星敏感器定姿,提出了一种将粒子滤波(PF)和预测滤波相结合的姿态确定算法,通过设计粒子初始化,结合重要性采样、重采样和规则化等手段,成功地将姿态四元数作为状态粒子进行更新和传递,避免了状态方程的线性化和协方差矩阵的计算;利用预测滤波算法估计模型误差和姿态角速度,在保证滤波精度的同时,有效降低了粒子滤波器的维数.实验在某对地观测通用小卫星平台上进行,选取卫星自由飞行状态和飞轮控制对地稳定模式,分别对滤波器进行了仿真,实验结果验证了该算法对本质非线性、非高斯的卫星姿态估计问题具有快速的收敛性能和良好的稳定精度.该方法还为粒子滤波器的设计和无角速度敏感器测量的飞行器姿态确定提供了借鉴.     

基于地轴矢量解算的SINS无纬度支持自对准方法

针对无纬度条件下SINS初始对准问题，提出了一种基于地轴矢量解算的对准方法。在静止基座下，利用陀螺仪敏感地轴矢量，直接建立导航系轴向矢量在载体系的正交投影，解析式确定姿态矩阵；晃动基座条件下，根据惯性系重力矢量观测，构建以地轴矢量为旋转轴的两组等角旋转矢量序列，利用QUEST算法求解旋转四元数实现对地轴矢量的优化解算，并以此建立导航系轴向矢量的载体惯性系投影，最后利用陀螺跟踪载体系相对惯性系的变化，确定载体系相对导航系的姿态关系。静止基座解算实验表明直接解析式对准与传统的解析式对准精度相当，但解算效率得到了提高；晃动基座仿真与船载实验均表明基于四元数的地轴矢量优化解算在精度上要优于三矢量几何解算方法，引入低通滤波环节后，对准精度进一步提高。     

基于输出反馈的编队卫星姿态同步和跟踪控制

研究了卫星编队无角速度测量信息且采用局部信息交互时的姿态协同控制问题.以四元数为姿态描述手段,采用超前滤波方法重构星体绝对和相对角速度信息,设计了基于输出反馈的分散姿态同步和跟踪控制器.利用Barbalat引理和代数图论等对闭环系统的全局渐近稳定性进行了理论分析和证明.以六星编队为背景的数值仿真进一步验证了算法的有效性.