太阳敏感器/陀螺定姿算法研究

针对近地航天器故障模式或深空探测模式,研究了仅利用太阳敏感器和陀螺进行航天器定姿的方法.给出了姿态确定滤波模型,分析了影响定姿精度的主要因素,讨论了轨道日照角对定姿精度的影响.研究结果表明:该组合可实现航天器故障模式或深空探测模式中的低精度姿态确定；轨道日照角对定姿精度影响较大,有效的轨道日照角是确保太阳敏感器/陀螺姿态确定方法可行的关键.     

无速度测量下的航天器安全接近位姿一体化控制

针对考虑位姿耦合的非合作航天器交会对接场景,在没有速度测量情况下为了同时解决安全约束、模型不确定性、执行器故障和输入饱和问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波算法(CKF)的自主安全接近方法。首先基于容积卡尔曼滤波器和扩张状态观测器(ESO)分别估计目标航天器的位姿信息和相对速度信息;然后通过将一种新颖的安全包络与人工势函数(APF)结合设计自适应滑模控制器,并设计非奇异辅助系统对执行器故障和输入饱和带来的影响进行集中处理。提出的控制策略在不违反安全约束情况下,能在固定时间内实现位置接近和姿态同步。通过李雅普诺夫方法可以保证闭环系统固定时间稳定。仿真结果表明,所提控制方法具有较高的精度和良好干扰抑制能力。     

货运飞船敏感器设备安装精度保证设计

位姿测量敏感器的安装精度直接影响航天器密封舱在轨姿态测量和交会对接控制精度。文章针对敏感器位姿在轨无法标定和载人航天器精度保证设计制约因素多的问题,对货运飞船精度保证设计中需要考虑的停放工装和重力影响、货物空满载、舱压和发射段振动等各种要素进行研究,提出一种融合多要素的载人航天器设备精度保证设计方法,确立基于单因素精度变化量的目标函数,实现精测结果评价量化,保证位姿测量敏感器精度满足在轨测量和控制要求。该方法已成功应用于“天舟”系列货运飞船,未来可应用于其他载人航天器研制中。     

三轴稳定遥感卫星姿控系统故障情况下的系统重构

论述三轴对地稳定遥感卫星姿控系统中部分轮子或部分陀螺故障情况下的姿控系统重构。文中论述了只在俯仰通道有一偏置动量轮正常工作，而滚动和偏航通道轮子故障条件下的系统重构。另外还论述了偏航陀螺故障，姿控系统其它部件正常情况下，控制系统采用Whecon原理与PIM控制相结合的设计。以上两种系统重构拟用于实际系统中，经过数学仿真验证，姿控系统在故障情况下能够完成基本任务。     

基于SoftPOSIT算法的单目视觉非合作目标相对位姿估计

针对模型尺寸已知的非合作目标,在目标三维特征点和图像二维特征点坐标已知但匹配关系未知的条件下,对基于SoftPOSIT算法的非合作目标航天器间相对位姿估计方法进行了研究。SoftPOSIT算法将解决匹配的Softassign和解决位姿的POSIT两种迭代方法融入一个迭代循环,建立全局目标函数,最小化目标函数就可在获得服务航天器与目标航天器相对位姿的同时确定三维点与二维点间的匹配关系。仿真结果表明由SoftPOSIT算法所得位态精度很高,算法正确有效。在不同条件下用该算法对某卫星位姿进行估计,发现算法的相对位置估计精度随目标与服务航天器相对距离增大而提高,而相对姿态角对估计精度的影响较小。     

天地环境差异对航天器设备安装精度影响分析

文章分析了地面重力环境和在轨内压环境对不同位置和状态下的载人航天器陀螺组件及姿轨控敏感器设备安装精度的影响,并进行了试验验证,分析结果与试验数据一致性较好。研究结果显示:设备布局位置不同,其安装精度受环境差异的影响程度也不同;航天器在空载、垂直停放状态下,设备安装精度受地面重力环境影响较小;陀螺组件和姿轨控敏感器A的安装精度受在轨内压环境影响较小,在地面常压环境下的精测结果能够真实反映其在轨状态,而姿轨控敏感器B的安装精度受压力环境影响明显。以上结果可为航天器设备布局及精度测量工作提供借鉴。     

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。     

基于纹理边界检测的航天器椭圆特征提取方法

为确定失效航天器等非合作目标的相对位姿，提出一种通过纹理边界检测的椭圆特征提取方法。该方法假设椭圆特征是航天器表面两种不同纹理的边界，利用上一时刻相对位姿信息，将对接环离散几何模型投影到像平面，并沿各离散点的法向方向通过概率方法检测纹理边界点。利用随机抽样一致(RANSAC)方法剔除边界点中的粗大误差，进而拟合出椭圆参数。纹理特征对光照变化具有鲁棒性，因此该方法能够在变光照、星体表面反光不均匀等复杂情况下快速准确地提取图像中的椭圆特征。本文以对接环图像特征提取为例进行仿真校验，分析了算法参数和噪声对提取椭圆精度和时间的影响。利用真实图像与基于梯度边缘的椭圆提取方法进行对比，结果表明，所提出的算法具有较高的精度和速度。     

影响设备安装精度的航天器结构因素及优化措施

航天器姿控及有效载荷设备总装时, 其安装精度是保证分系统正常工作、完成任务的关键技术指标之一。文章基于型号实践, 依据我国现有航天器的结构类型及设备安装特点, 论述了航天器结构本体在各种工作环境、各个阶段对航天器设备总装的精度影响要素;提出了分析、验证方法以及保证精度及可靠性的措施。可对未来的航天器型号的结构设计、总装设计、工艺及测量实施提供参考。     

基于双目视觉的航天器间相对位置和姿态的测量方法

在光学测量基本原理上建立了双目视觉测量模型,提出了基于双目视觉的航天器间相对位置及姿态的测量方法,并对测量系统中的误差进行分析,得到影响测量精度的因素。仿真结果表明该方法有效,获得的航天器间相对空间位姿信息的精度能满足航天测控要求,对航天器在轨实时应用具有重要参考价值。     

On the possibility of long-term maintenance of geostationary satellite attitude without using the external information sensors and inertial sensors

The problem of maintaining spacecraft attitude during the loss of information from attitude sensors and inertial sensors is considered. The problem is solved on the basis of the force gyro stabilization principle with producing an angular momentum in the plane of orbit. The redundant mode of attitude maintenance is developed for spacecraft of the Yamal series. The results of testing the mode during the in-flight tests of the Yamal-200 spacecraft are presented.     

斜装冗余传感器的分布式导航系统研究

为了满足低成本、高性能惯性导航要求,解决传统单一主惯导系统的成本高、体积大等问题,利用低成本MEMS惯性传感器,采用传感器斜装冗余配置,在最优卡尔曼滤波的基础上提出了一种基于虚拟传感器的最优信息融合技术,简化了测量系统的动态模型,减小计算的同时提高了测量精度。将斜装冗余惯性测量节点安装在载体的不同位置构成基于斜装冗余传感器的分布式导航系统,分析了分布式结构,利用基于虚拟传感器的等效模型,设计了分布式导航系统的测量融合系统。通过仿真试验,校验了基于虚拟传感器的最优信息融合有效地提高了测量精度,基于斜装冗余传感器的分布式导航具有较高的导航精度,同时证明此方法具有一定的抗干扰能力,能够抑制载体局部随机扰动对导航性能的影响。     

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。     

多敏感器信息融合技术在卫星姿态确定中的应用

针对惯性陀螺、星敏感器和红外地平仪组成的卫星姿态确定系统,基于联邦卡尔曼滤波技术和多敏感器信息融合技术,提出了二级分散滤波方案,该方案能够实现系统的故障诊断与系统重构,提高系统的可靠性,最后通过仿真解算出高精度的姿态测量信息。     

基于磁悬浮控制力矩陀螺的航天器姿态高精度高带宽测量方法

针对航天器姿态测量精度和带宽之间相互制约问题,提出一种基于磁悬浮陀螺的航天器姿态高精度、高带宽测量方法。根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子径向转动合外力矩模型。在框架静止条件下,通过实时检测磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）中的磁轴承电流、磁悬浮转子位移,计算出磁悬浮转子径向转动所受合外力矩以及磁悬浮转子径向偏转信息,间接得到航天器运动对磁悬浮转子径向转动作用力矩,进而求出航天器单轴姿态角速度和姿态角加速度。不同带宽下的仿真结果表明,本测量方法能同时检测出航天器单方向的姿态角速度和角加速度,并且满足高精度高带宽要求。     

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.     

基于电火箭推进的地-月轨道转移自主导航研究

以电推进力作为奔月航天器在进入月球影响球之后的螺旋式减速转移过程的主推进力和姿态控制力,建立限制性三体力学模型.采用星光导航方式,结合UKF非线性滤波方法进行自主导航研究.推力的引入方式能有效抑制由于航天器姿态与导航误差耦合而导致的推力矢量方向误差.通过大量的计算机仿真,详细研究和分析了电推进条件下自主导航的发散问题,有针对性地给出了抑止发散的方法,为工程实现提供了有利的参考依据.     

基于小波分析的航天器姿态控制系统故障诊断方法研究

小波分析是一种全新的时频两维的信号分析技术,本文将其引入航天器姿态控制系统故障诊断,并针对姿态控制系统所采用的红外地球敏感器、陀螺和姿控发动机的典型故障模式,研究了基于小波分析技术的故障诊断方法。仿真结果证明了所提方法的有效性。     

考虑执行器安装偏差时航天器姿态稳定的控制分配

针对存在执行机构安装偏差和外干扰的航天器姿态控制问题,提出一类基于反步法的自适应滑模控制策略,该方法在实现姿态控制快速性和高精度的同时,能有效地避免因执行机构安装偏差引起的不确定性所导致的控制奇异现象。在此基础上,考虑到执行机构冗余特性,进一步提出一种基于能量最优约束二次规划的动态控制分配算法来完成期望指令到执行机构的指令分配,克服了传统伪逆法难以考虑的控制力矩位置和速度约束,减少了系统功耗,实现了分配后控制力矩的平稳性和能量最优。最后,将提出的控制方案应用于某型轮控刚体航天器的姿态稳定任务中,仿真结果验证了提出方法的可行性、有效性。