某卫星姿态角的确定和对测量部件的故障诊断

卫星三轴姿态的确定是对卫星进行姿态控制的基础,利用陀螺和红外敏感器互补的特性,并对测量所得到的数据进行处理,便可得到卫星姿态角的估计值。陀螺和红外地球敏感器是卫星姿态控制系统中关键的测量部件,两者的测量输出通过卫星运动学方程相关,有冗余关系,可以用于故障检测。本文对所设计的观测器进行了数值仿真,证实了其有效性,并直接利用所设计的观测器进行故障检测,首先得出陀螺和红外地球敏感器在各种故障下的输出残差曲线,然后分析陀螺和红外地球敏感器的不同故障对输出残差信号的不同影响,找出各种故障与不同输出残差的对应关系,从而确定发生故障的部件。     

基于圆球与椭球的地球敏感器地心矢量算法分析

红外成像敏感器代表了新一代敏感器的发展方向。本文介绍了红外成像敏感器光学系统工作原理,对红外成像敏感器光学系统进行简化,利用小孔模型完成了对敏感器光学系统的建模,分别在地球球形模型和旋转椭球模型下进行了地心矢量推导和计算,获得了焦平面内地平圆盘的相关参数的具体表达式,用牛顿迭代法对地心距进行数值计算,比较分析了球形模型与椭球模型在求解地心距精度上的差别,分析了敏感器测量误差对地心矢量精度的影响,以及焦平面内地平圆盘各参数分别对地心距计算精度的影响程度。     

敏捷光学卫星多模式推扫成像时的偏流角研究

对运行于太阳同步轨道的以时间延迟积分CCD(TDI-CCD)相机为成像有效载荷的敏捷光学卫星姿态对地指向变化的多模式推扫成像,研究了基于运动学和卫星自身姿态信息的偏流角解算方法。基于线阵TDI-CCD推扫点目标瞬时成像、区域扫描成像和立体成像模式,分析了动态成像过程中的偏流原理。综合运动学和速度矢量方法,推导出了星下点速度矢量在敏感器坐标系中的表达式。数值仿真表明:当相机推扫方向与航迹方向平行时,偏流源于地球自转;当相机推扫方向与航迹方向不平行时,偏流角主要受地表的牵连速度影响。采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可实现敏捷光学卫星执行多模式推扫成像技术。     

卫星地球-射频敏感器组合定姿滤波算法研究

基于卡尔曼滤波理论以及卫星定姿技术的发现状况，对卡尔曼滤波在静止轨道三轴稳定卫星红外地球敏感器和射频敏感器组合定姿中的应用作了一定的研究。建立了静止轨道三稳定卫星姿态动力学模型和红外－射频敏感器组合定姿的姿态量测模型，针对这一模型，应用推广的卡尔曼滤波进行姿态估计，并进行了计算机仿真，验证了滤波方法应用于静止轨道三轴稳定卫星红外地球敏感哭和射频敏感器组合定姿的有效性和优越性。     

空间交会对接光学敏感器测量的实验研究

光学敏感器通常用作空间交会对接最后阶段的测量敏感器。本文研究了光学成像敏感器的测量方法，并在此基础上进行了物理仿真实验。实验结果表明，当距离为１ｍ左右对直径４０ｃｍ的目标模拟器进行测量时．位置测量精度优于１ｍｍ，姿态测量精度优于０．４°。     

一种遥感卫星宽幅无盲区拼接成像路径自主规划方法研究

为解决低幅宽卫星载荷因幅宽小而导致成像覆盖物面窄、效率低、使用复杂的缺陷,提出了一种多条带拼接成像路径自主规划方法。先完成单次侧摆成像规划:通过卫星、目标相对位置关系判断成像时机,规划包括姿态机动开始时刻、成像开始时刻、成像结束时刻、滚动目标姿态角,以及可成像总时长的成像时域确定。再进行多条带拼接成像规划:由成像开始时刻及姿态偏置要求确定条带拼接方向,计算图像拼接点位置参数;根据满足载荷成像最大允许俯仰姿态机动角和姿态机动速度,确定相邻次成像开始时刻卫星位置与姿态机动开始时间;由成像时刻的轨道位置、前后摆俯仰姿态角、图像拼接点位置及侧摆成像偏流角计算相邻次成像滚动目标姿态;根据确定的滚动、俯仰目标姿态角和成像位置迭代计算偏流角,确定偏航目标姿态。给出了相应的单次侧摆成像路径和最大面积多条带拼接成像路径的自主规划计算流程。仿真结果表明:该方法能根据卫星姿态机动能力、轨道参数及载荷视场角自主完成成像条件分析及路径规划,实现载荷对目标区域无盲区最大幅宽成像,提高成像效率及卫星在轨任务自主规划执行能力。     

一种姿态机动辅助下的天文导航系统偏差自校准方法

基于成像型紫外敏感器的自主导航是一种典型的天文导航方法,其精度不仅取决于敏 感器的测量噪声,而且与系统性误差的大小密切相关。针对成像型紫外地球敏感器的特点, 建立了紫外敏感器测量模型。为消除系统误差对自主导航精度的影响,提出了一种姿态机动 辅助下的偏差自校准导航滤波方法,并以紫外地球敏感器测量偏差为例,设计了导航滤波算 法。数学仿真和半物理仿真结果表明,该方法能显著地提高自主导航精度。
     

一种考虑地球扁率的卫星自主导航方法研究

研究用2个红外地球敏感器和1个星敏感器实现卫星自主导航的方法,地心矢量的测量精度是影响导航精度的重要原因之一,而地心矢量的测量又受到地球扁率的影响.研究地球扁率对地心矢量测量的影响,并提出一种零姿态扁率误差补偿方法,通过仿真验证了这种导航方法及扁率误差补偿算法的有效性.     

基于紫外敏感器的卫星自主导航方法研究

研究了卫星利用CCD紫外敏感器进行自主轨道确定的方法。敏感器通过地球紫外图像提供地心方向矢量及姿态误差信息进而确定卫星轨道。采用Unscented卡尔曼滤波算法,对紫外敏感器测量精度、姿态误差、部分轨道参数以及地球模型对导航精度的影响进行了仿真验证。仿真结果表明本方法具有较高的定轨精度,其导航误差主要取决于紫外敏感器测量精度和卫星姿态误差。     

一种成像敏感器对月定姿算法

成像敏感器根据月像来确定卫星对月姿态角。分析了月球光学系统成像模型以及卫星两轴姿态角与月像边缘曲线方程的关系，利用分析结果并结合月像边缘点的曲线拟合提出了一种新的卫星对月定向姿态确定方法。此算法克服了非零姿态月像边缘的非圆现象并且在部分月像下也可完成姿态确定，仿真工作显示了新算法的有效性。     

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。     

红外地平仪姿态测量误差模型

分析得出地球扁率和红外辐射是扫描式红外地平仪测量误差的主要原因。针对地球扁率，基于方位角的确定，分别给出了滚动角和俯仰角的测量误差模型。在地球红外辐射方面，给出了确定地平仪扫人、扫出点位置的方法，进而给出地球红外辐射误差的计算方法。最后，通过算例，给出了有关仿真结果，对方法的有效性进行了验证。     

New generation of infrared horizon scanning sensors for low altitude spacecraft

The STD 12 infrared horizon scanning sensor is designed for attitude control, with respect to Earth, of three-axis stabilized satellites in low altitude Earth orbits. The operational accuracy is better than 0.1 arc degree.After presenting the attitude measurement performance required for the SPOT platform, the STD 12 concept is described and the results of qualification and life tests are given.     

一种卷积神经网络非合作目标姿态测量方法

针对空间非合作目标姿态测量问题，提出一种基于卷积神经网络的非合作目标姿态视觉测量方法。该方法先设计特征提取网络并利用公开数据集进行预训练，用少量实际目标图像进行迁移学习，实现非合作目标图像高层抽象特征的自动提取；再设计基于回归模型的姿态映射网络，建立图像高层特征与三轴姿态角之间的非线性关系，实现非合作目标的姿态测量。实验验证了两类特征提取网络测量精度和参数量大小，测量精度可达 0.711° (1σ),表明了“单目相机+卷积神经网络”方法的可行性。     

Adaptive Square-Root Cubature–Quadrature Kalman Particle Filter for satellite attitude determination using vector observations

A novel algorithm is presented in this study for estimation of spacecraft?s attitudes and angular rates from vector observations. In this regard, a new cubature–quadrature particle filter (CQPF) is initially developed that uses the Square-Root Cubature–Quadrature Kalman Filter (SR-CQKF) to generate the importance proposal distribution. The developed CQPF scheme avoids the basic limitation of particle filter (PF) with regards to counting the new measurements. Subsequently, CQPF is enhanced to adjust the sample size at every time step utilizing the idea of confidence intervals, thus improving the efficiency and accuracy of the newly proposed adaptive CQPF (ACQPF). In addition, application of the q-method for filter initialization has intensified the computation burden as well. The current study also applies ACQPF to the problem of attitude estimation of a low Earth orbit (LEO) satellite. For this purpose, the undertaken satellite is equipped with a three-axis magnetometer (TAM) as well as a sun sensor pack that provide noisy geomagnetic field data and Sun direction measurements, respectively. The results and performance of the proposed filter are investigated and compared with those of the extended Kalman filter (EKF) and the standard particle filter (PF) utilizing a Monte Carlo simulation. The comparison demonstrates the viability and the accuracy of the proposed nonlinear estimator.     

基于星敏感器四元数的卫星角速度预测滤波算法

为在无陀螺或陀螺故障时可用星敏感器估计姿态角速度，在扩展卡尔曼滤波（EKF）和非线性预测滤波的基础上提出了基于四元数的卫星角速度估计算法，并给出了相应的模型。该算法对角速度建模精度的要求较低，无需卫星动力学方程，方法简单且易于实现。仿真结果表明，算法的精度较高。虽然仍受噪声和步长的影响，但相对基于EKF和最小模型误差的角速度估计算法，其性能改善较大。     

基于偏振信息融合的背景抑制方法评价

与红外强度图像相比,单一的偏振度或偏振角图像在提升图像信杂比方面并无明显优势。为综合利用偏振图像的多维信息进一步提升图像信杂比,在分析典型背景下目标偏振度与偏振角联合分布特性的基础上,以偏振度作为偏振角信息的权值参考,提出了一种基于偏振信息融合的红外图像背景抑制方法,并将其应用于复杂云层或海面背景下的红外目标检测,给出了相应的算法流程。实验结果表明:与红外强度图像相比,所提出的基于偏振信息融合的背景抑制方法能大幅提升图像信杂比。该方法简单有效,易于实现,可应用于基于红外偏振成像的目标探测或精确制导领域。     

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。     

基于OMNeT++的卫星姿态控制系统仿真

针对三轴稳定卫星的姿态控制系统,在离散事件仿真平台OMNeT 的基础上,建立了一个以星敏感器和陀螺为敏感器,反作用飞轮为执行机构的闭环控制仿真系统。采用双矢量定姿算法和PID控制算法,对该卫星在对地定向模式下的控制精度进行了仿真。仿真结果清晰地反映了星敏感器和反作用飞轮输出延时对控制精度的影响。整个仿真系统符合面向对象和模块化的程序设计理念,并实现了仿真程序的重用。