航天器GPS姿态估计算法研究

利用全球定位系统（GPS）确定航天器姿态是GPS在航天器上应用的一个重要方面。分析了几种利用GPS进行航天器姿态估计的典型算法，建立了GPS姿态确定的单差和双差观测模型，对GPS姿态估计的递推算法和利用航天器姿态运动信息的滤波算法进行了仿真计算，验证了模型和算法的有效性。最后，对常用的基于GPS的航天器姿态估计算法进行了分析和讨论，给出了算法选择的原则。     

基于图像运动补偿轨道运动和热变形对载荷成像的影响分析

研究了三轴稳定静止轨道气象卫星图像运动补偿轨道运动和热变形对扫描镜成像的影响.根据图像运动补偿目标,定义了扫描角、步进角和固定网格,基于有关轨道运动和结构热变形对成像的影响,设计了图像运动补偿模型,并给出了算法流程.仿真结果表明:图像运动补偿能有效减小轨道运动和热变形对扫描镜成像的影响,提高有效载荷的成像质量,满足图像配准要求.     

基于极大似然的单传感器误差配准算法

对单传感器系统误差配准问题进行了研究,首先理论分析了传感器量测系统误差对固定目标探测定位的影响,给出了传感器运动将造成固定目标产生虚像做类似运动的结论;在此基础上,提出了一种基于极大似然的单传感器误差配准算法,该算法基于极大似然准则,利用运动传感器对固定目标虚像位置的多时刻跟踪滤波信息,构建对传感器量测系统误差的极大似然估计,并通过进一步迭代估计获得系统误差最终估计结果,从而能够利用位置未知的固定目标实现运动平台单传感器量测系统误差的精确配准。     

地球同步自旋稳定卫星姿态的精确估计

本文根据文献的估计方法和文献关于星上V型窄缝式太阳敏感器、射束式红外地球敏感器和两者组合的姿态测量模型,给出了一种在系统误差和随机误差联合作用下能精确估计卫星姿态的估计器模型。仿真结果证明,在转移轨道上,在几组系统误差参数和随机噪声作用下,用1000组观测数据即可实时精确估计卫星姿态,赤经误差0.1°,赤纬误差小于0.5°。     

基于改进EX的机动雷达误差配准算法

针对EX(Exact Method)算法的大计算量和耗时对其工程应用造成的不利影响,提出了一种改进的EX算法（MEX算法）,通过优化EX算法的算法结构,消除其存在的冗余运算,提高了实时性;为解决机动雷达情况下的误差配准问题,通过改进MEX算法以适应系统存在姿态角系统误差的特点,提出了扩展的MEX算法（EMEX算法）;把EMEX算法推广应用到多机动雷达情况下的系统误差估计中,得到了采用集中式融合结构的EMEX算法（CEMEX算法）。为验证提出算法的正确性和有效性,对算法进行蒙特卡洛仿真比较,结果表明,MEX算法在保持EX算法估计性能不变的前提下,大大减少了算法耗时,提高了EX算法的估计效率;EMEX算法能够有效地估计出机动雷达的各种系统误差;CEMEX算法能够有效地融合多部雷达量测的信息,具有良好的系统误差估计性能。     

基于变结构控制减小扫描镜运动对卫星姿态的影响分析

基于解耦变结构控制对静止轨道气象卫星扫描镜运动对卫星姿态的影响进行了研究,根据星上有效载荷的扫描镜与星体耦合特性,设计了一种解耦变结构控制律,控制律直接对4个四元数设计滑动模态方程以避免奇异问题。数学仿真结果表明：该变结构控制率能减小扫描镜运动对卫星姿态的影响,提高卫星平台的稳定度,进而提高有效载荷的成像质量。     

地球同步自旋稳定卫星的姿态确定方法及其微机实现

本文系作者根据航天部中国空间技术研究院和意大利国家研究委员会联合研究“卫星飞行动力学系统”课题的协议与意大利有关专家共同在微机上完成的自旋稳定地球同步卫星姿态确定的研究工作。文中提出了适用于不同轨道几何条件的六种确定性姿态确定模型。首先用批量最小二乘法统计确定卫星姿态,估计出系统误差,然后从实际量测中消去所估计出的系统误差,最后用修正过的数据按确定性姿态确定方法定出卫星姿态。文中给出了姿态确定方法的微机实现程序。仿真结果证明,本方法与大型机IBM 3081上取得的结果完全相同。     

反馈式多目标多传感器系统误差融合估计技术

本文对多目标情况下的多传感器系统误差估计问题进行了研究,提出了反馈式多目标多传感器系统误差融合估计算法。算法首先对EX算法进行了修正,无需计算各目标状态估计及其增益伪逆,直接利用各传感器量测数据来构建伪量测,通过滤波获得局部传感器组合系统误差估计;其次,算法通过构建状态空间转移矩阵实现了全局估计到局部组合估计关系描述,并从多目标多传感器两个层面对系统误差估计进行更新,即对多目标信息进行递归融合以有效利用空间分布的多目标信息,对多传感器组合估计信息进行反馈融合获得全局估计。蒙特卡洛仿真结果说明该算法能够进行多传感器系统误差的快速精确融合估计,相比EX算法在实时性与估计精度方面均具有较大的优越性。
     

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。     

多姿态敏感器测量的信息融合定姿方法研究

基于最优融合估计理论,给出并证明了多敏感器组合姿态确定系统状态最优融合估计形式。设计了基于信息分配的多信息融合联合滤波器结构和算法,分析估计性能,讨论了决定联合滤波器融合的性能信息分配因子选择方法,提出了一种基于协方差阵特征值平方分解的动态自适应信息分配因子确定方法。以某卫星多姿态敏感器组合测量为例,推导了卫星姿态确定的误差状态方程和各子系统的量测方程及观测阵。仿真结果表明：采用联合滤波器对多敏感器卫星姿态确定系统进行信息融合能改善定姿精度,有效抑制滤波发散,并提高整个系统的运算与收敛速度。     

基于移动最小二乘法的机载SAR成像运动误差补偿方法

机载SAR平台在飞行过程中产生的运动误差会导致成像质量下降,利用测量数据提取运动误差是机载SAR运动补偿的重要手段之一。通过对机载SAR运动误差理论的推导,提出一种基于移动最小二乘法的机载SAR成像运动补偿方法,方法借助于惯性导航系统记录的东北天三维速度信息,对其进行处理,进而获得雷达平台的三维空间信息,再与后向投影算法结合,完成SAR成像运动补偿。方法是对最小二乘法进行改进,使其不需要对数据进行分段估计和平滑,还可以保证估计结果的正确性。实验结果验证方法对运动误差估计的准确性和有效性。     

基于Simulink模型的捷联算法仿真平台研究

分析了捷联系统基于Simulink模型的姿态、速度和位置积分的基本方程。建立了仿真模型，给出了组成模块和算法框图。研究了采样与静差补偿，以及四元数、姿态、住置和速度更新的算法。构造的算法仿真通用平台，其输入可为实际系统的惯性测量元件(IMU)在线、离线数据的全部或部分，或自行构造的载体在某种运动轨迹下IMU的输出。仿真结果表明，利用Simulink多种直观的位置输出，可更有效地分析捷联系统，或对多种IMU的捷联导航特性进行比较验证。     

Lunar lander's three-dimensional translation and yaw rotation motion estimation during a descent phase using optical navigation

Optical navigation for a lunar lander consists of estimating a lander's 3-dimensional (3-D) relative dynamic motion with respect to a preselected landing site using a passive 2-dimensional (2-D) video image sequence. Lunar landing missions require a lander to perform an autonomous accurate landing with simple mechanical structure, easy operation and low cost. These requirements have motivated the need to develop an advanced navigation system. Existing navigation systems trade-off simplicity, accuracy and cost. High accuracy navigation systems typically imply complexity and high cost. In this paper, we consider a scenario where the descending phase starts from an initial altitude of 10 km with a time-of-descent of 100 s. The navigation camera is an off-the-shelf optical instrument used to take the video image sequence of the landing site during the landing phase. It is fed into the motion estimation algorithm to be processed. The continuous wavelet transform (CWT) is used to analyse each image frame of the input digital video image sequence. The output is a 2-D video image motion trajectory map, which represents the projection motion of the landing site. The 2-D video image motion is projected back to the 3-D lander's relative motion based on a geometric analysis. The outputs of this estimation algorithm are the 3-D attitude motion parameters of the lander at a time corresponding to an image being taken. The attitude determination and control system (ADCS) of the lander uses these data to perform the lander's attitude control task. In this article, we provide the motion modelling for a lunar lander during the descending phase. The projection of a 3-D planar to 2-D image plane is analysed which build the correspondence between the 3-D lander's motion and the 2-D image motion. This link provides the evidence for the geometry analysis. CWT is reviewed and CWT for video image sequence analysis is also introduced. Numerical simulation of the estimated 2-D video image sequence under the lander performing a 3-D translation and yaw rotation during the terminal descent are shown to verify the proposed concepts. The analysis of the results show that the proposed method achieves highly accurate 2-D video image motion estimation of less then 1% error with significant savings of cost, mass and volume. It leads to the accurate estimation of the lander's 3-D relative motion with respect to the landing site.     

W波段UAV MISAR实时成像运动补偿方法

建立了实时成像正侧视合成孔径雷达(SAR)运动误差模型,采用了一种基于惯导和相位梯度自聚焦(PGA)运动误差估计的中心波束平面运动补偿算法。该算法对回波包络和相位进行分开补偿,利用惯导数据把带有运动误差的回波包络拉直,再利用相位梯度自聚焦算法对回波进行相位误差估计并补偿。针对实时成像的时间少、运算量大、运算资源受限等特点,该算法取消了距离徙动校正的步骤,将运动误差矢量在斜距平面投影并完成包络校正和相位误差估计。该方法运算量小,同时能满足分辨率要求。仿真结果表明:该方法能够得到质量较高的SAR图像。     

月面着陆器INS/CNS深组合导航方法

针对月面着陆器下降过程中的姿态快速调整需求，导航系统必须具备实时快速解算能力，而传统天文导航算法星图识别过程计算量大，占用了一定的硬件资源和能耗，限制了月面着陆器动态响应能力的提高。针对这一问题提出一种基于图像灰度误差的惯性/天文深度组合导航方法。该方法利用惯导辅助星敏感器构建灰度误差函数，根据灰度误差梯度优化姿态失准角，无需星图识别过程依旧可以完成对姿态的估计。仿真结果表明，在导航星数目不少于3颗时，该方法可在与惯性/天文松、紧组合姿态精度一致的前提下，将计算时间缩短60%，姿态精度维持在10″(非光轴)、50″(光轴)以内；在导航星数目小于3颗时，依旧可以进行导航解算，姿态精度维持在50″(非光轴)、100″(光轴)以内。将其应用于月面着陆器等实时性需求较高的背景中，有助于降低算法的计算量，节约硬件资源和系统功耗，为未来月面着陆器导航系统的设计提供新思路和理论参考。     

基于严格成像模型的卫星姿态角系统误差补偿

为消除卫星在轨运动过程中俯仰、偏航、滚动对遥感影像地面定位的影响,建立了卫星姿态角系统误差补偿模型,即在严格成像模型的基础上,对姿态角进行直接调整,以减小定位误差。利用环境减灾-1B（HJ-1B）卫星CCD1相机遥感影像进行分析,在单景影像的定位中,借助于2个地面控制点,将其系统误差减小到原来的1/3,从而验证了模型的有效性,为进一步在轨检校相机内部静态参数提供了前提。     

一种利用地球敏感器的星光导航方法

针对直接敏感地平的红外地平仪-星光导航系统精度低的问题,提出通过建立扁率误差补偿函数,研究扁率引起的姿态角测量误差;建立地心矢量的姿态角误差模型,通过修正地球扁率误差来补偿姿态角,对卫星施加姿态偏转指令调整地心矢量偏移。同时基于SODERN地球红外辐射模型,考虑红外辐射强度随纬度和季节的变化建立真实红外辐射曲线,通过滤波算法获得精确的地球切线边缘的量测信息,提高红外地平仪测量精度。仿真结果表明,该方法有效提高了基于红外地平仪的星光导航定位方法的可靠性和精度,导航位置误差能达到500m左右,较原有系统提高3倍以上。     

基于MTFC的遥感图像复原方法

遥感图像在成像过程中受到大气、光学系统、探测器、平台运动和电路等因素的影响,引起图像退化,图像复原算法可以改善遥感图像像质,提高图像信息的解译能力。文章介绍了调制传递函数补偿（modulation transfer function compensation,MTFC）算法的原理,从遥感成像的链路环节出发,分析了MTFC的原理,提出了一种星上实时遥感图像MTFC复原算法。通过卷积系数和抑噪参数的优化设计,在提高图像清晰度的同时能较好地抑制噪声;对不同卷积和抑噪参数的图像复原效果进行了对比,从主观和客观两个方面对复原图像进行了评价。实验结果表明,该算法能有效提高图像像质,增强图像的高频部分,采用不同类型的卫星遥感图像验证了算法的适应性。     

船载惯性测量单元姿态信息优化方法

随着海洋卫星通信技术的广泛应用，船载通信系统的需求量与日俱增。基于微电子系统的惯性测量单元主要用于测量船体姿态信息，实现姿态反馈与控制补偿，是船载卫星通信设备的核心器件。实际应用中通过卡尔曼滤波处理的惯性测量单元的姿态信息并不完善，经过分析惯性测量单元在运动过程中存在干扰性的有害加速度。分析了有害加速度的产生原因和对测量姿态的影响并提出姿态信息的优化方法。通过此优化方法可提升惯性测量单元的测量精度，增强船载通信系统的控制精度。     

一种基于调节三镜的空间光学相机离焦补偿方法

离焦补偿是空间光学相机获得良好成像品质的关键。文章基于空间光学相机的技术特点分析其离焦补偿方法,提出调节三镜的离焦补偿方法。利用CODE V光学软件对某高性能光学小相机的光学系统进行仿真分析,获得离焦补偿精度、离焦补偿范围与系统成像品质的关系。为保证光学系统对移动三镜倾角控制要求,对三镜调焦机构直线精度及其力学稳定性进行了测试,最后对相机进行了地面外景成像验证与在轨测试。仿真及试验测试结果表明,调节三镜能有效地补偿空间三反相机在轨各因素引起的系统离焦,满足相机在轨成像品质要求。