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。     

空间目标姿态角估计与RCS反射图生成

介绍了一种空间目标姿态角估计方法,并在此基础上生成了RCS反射图.该方法主要是在直角坐标系中对目标的运动特征用二次项进行描述,并用最小二乘估计求解二次方程,从而根据运动方程估计出目标的姿态角.实测数据验证结果表明,该方法能够有效地估计出空间目标的姿态角变化情况,并可反映出目标RCS随其姿态变化的规律.     

基于基线长度加权的GNSS多天线姿态测量方法

GNSS可用于获取动态载体的姿态信息，为提高其姿态测量精度，提出一种基于基线长度信息对最小二乘姿态解算方法进行加权处理，改进了最小二乘姿态解算方法，同时通过船载实验验证了该方法的可用性。实验结果表明：在船载动态实验中，当基线长度存在明显差异时，加权最小二乘法较等权最小二乘法在精度上明显提高，其中横滚角的精度提高了13 %。     

一种基于UKF滤波器的卫星定位算法

针对基于通用最小二乘迭代法的卫星定位解算方法在定位精度和鲁棒性等方面的不足,提出了一种基于UKF(Unscented Kalman Filter)滤波器的卫星定位解算方法。该方法直接利用GPS接收机测得的伪距和多普勒频移作为观测量,对接收机的位置和速度进行估计。经过工程上的实际验证表明:与基于通用的最小二乘迭代法的卫星定位解算方法相比,所提出的基于UKF滤波器的卫星定位解算方法的定位结果有更高的精度和更强的鲁棒性。     

用最小二乘法确定卫星间相对姿态

为确定多卫星编队飞行时卫星的相对姿态，采用坐标系的空间变换，用最小二乘法计算两卫星本体坐标系间的旋转参数。给出了方法的基本原理、步骤、方法和适用条件。     

一种基于推力器控制的卫星质心在轨估算方法研究

为准确估计地球静止轨道(GEO)卫星在轨道机动过程中因燃料消耗产生的质心位置的变化,提出了一种基于推力器连续喷气的卫星质心在轨估算方法。采用推力器在固定时间内连续喷气工作方式以形成恒定的推力器作用力和力矩,根据陀螺测量值用最小二乘法估算推力器产生的星体角加速度值,采用产生正负向相反控制力矩的两个推力器同时工作,以减小对卫星姿态的扰动和三轴间的动力学耦合。给出了卫星质心计算公式,讨论了质心估算中的推力器推力位置测量误差、推力器推力矢量方向角度测量误差、成对工作推力器推力大小偏差、陀螺组合测量噪声、整星转动惯量计算偏差,以及卫星姿态动力学耦合特性等主要误差源对估算结果的影响。基于某GEO卫星的推力器数据,计算获得了在轨质心的总测量偏差。仿真结果表明:理论计算值与仿真结果的误差在允许范围内,方法有效,可广泛用于航天器的质心位置测量,方法有较大的工程应用价值。     

基于星箭对接环同心圆结构的卫星姿态估计方法

针对基于星箭对接环单圆特征进行姿态估计具有二值性的问题,文章根据空间同心圆环的代数约束关系求解出空间圆环法向量,从而利用单一的星箭对接环结构,计算出目标卫星与追踪卫星之间的相对姿态。仿真试验计算了在不同测量距离及噪声情况下,星箭对接环定姿的误差,并进行分析,实现了在不依靠额外测量信息的情况下,利用单目视觉系统独立对圆心未知、半径未知的星箭对接圆环平面法向量求解,并得到目标卫星相对于跟踪卫星的姿态角,从而为空间非合作目标的姿态估计提供参考。     

基于日地月方位信息的月球卫星自主导航

采用自主导航技术，可以降低月球卫星的任务成本，提高其生存能力。现研究了利用太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器测量出的卫星-太阳、卫星-地球和卫星-月球方向矢量作为观测量，采用迭代最小二乘方法、定历元时刻的卫星状态，并以轨道预报的方式实现月球卫星的自主导航。对该自主导航算法进行了数学仿真，分析比较了敏感器精度、部分轨道参数等因素对定位精度的影响，总结了其变化规律。最后对比了迭代最小二乘方法与扩展卡尔曼滤波的导航仿真结果，结果表明前者具有更高的精度。     

自旋卫星姿态确定和系统偏差估计

以最小二乘为指标,应用Powell直接寻优算法,对近地轨道自旋卫星姿态确定数据进行加工处理,得出了某些系统偏差的估计值,然后再用Kalman滤波器进行滤波估计。实践证明,将此法用于可观性较弱的系统,可显著改善仅用Kalman滤波器所得的结果。     

单滑块与飞轮协同姿态控制卫星运动分析

为了明确单滑块变质心卫星的控制机理,建立了包含单滑块与3个飞轮在内的7自由度卫星姿态动力学模型。在此基础上,分析讨论了其运动特性以及动力学系统的特点,采用最小二乘方法反向求解出滑块运动对卫星姿态的影响,为控制器根据姿态机动指令计算滑块需求运动距离,提供了一种工程上可行的方法。最后对比变质心机构与飞轮的协同控制与单独采用飞轮控制两种控制方案的效果,突出了变质心机构与飞轮协同控制的优越性。仿真结果表明:单滑块变质心卫星在卫星姿态机动过程中能快速响应。本文为单滑块变质心卫星的工程实践,提供了一些理论参考。     

高分辨率敏捷卫星颤振对成像的影响分析方法

高分辨率敏捷卫星在轨姿态机动成像过程中,姿态控制执行机构的控制力矩陀螺（Control Moment Gyro, CMG）在正常工作时会产生附加的扰动力和扰动力矩,经振动传递,造成相机内部敏感光学元件之间的相对运动,从而对图像品质造成影响。为了研究 CMG 颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响,文章采用集成建模分析方法,构建包括扰动、结构、控制、光学在内的颤振集成模型。以某型号空间相机为研究对象,对此相机的动力学特性和光学系统敏感度进行了分析,得到相机敏感光学元件的振动响应,以及颤振在相机焦面产生的像移,研究了CMG颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响分析方法,可为其他类型颤振的影响分析提供参考。     

卫星姿控系统可重构性综合评价方法研究

针对可重构性评价需考虑系统资源、性能等多约束条件的问题,以卫星混合执行机构姿控系统为研究对象,建立了基于组合赋权法的卫星可重构性综合评价方法。首先,综合分析影响卫星姿控系统的指标因素,结合系统可重构性度量指标构建了综合评价指标体系;然后利用层次分析法和熵权法分别得到权重初值,以最小二乘法为工具建立确定具有主客观意义的优化组合评价权重;最后采用欧几里德距离为测度,计算各方案距离正负理想点的相对接近度并以此作为评价准则。针对多方案系统配置实例进行了验证计算,结果表明利用基于组合赋权法的评价方法能有效地对卫星姿态控制系统可重构性进行综合评估,具有较好的应用价值。     

移动卫星通信捷联式天线稳定系统

介绍了一种应用激光陀螺惯性导航系统组成的移动卫星通信的捷联式天线稳定系统 ,给出了天线稳定和跟踪的控制方法和最优值搜索法。采用该系统可测量载体的姿态角和经度纬度 ,借助于惯性系统的输出信号控制天线轴使天线跟踪指定的卫星 ,卫星天线接收的信号可检测出跟踪误差 ,通过伺服系统控制天线转动 ,以使通讯信号为最强。采用了 GPS修正惯性系统的误差 ,成为 GPS/ INS的组合系统。在山区道路上跑车试验结果表明 ,当车的横滚角和俯仰角达到 6°,频率为 1Hz,方位角变化 180°时 ,在此动态条件下根据测量的卫星信号场强可知 ,跟踪误差小于 0 .2°。接收到的电视信号稳定清晰 ,图像和电话信号都是满意的。跑车试验表明 ,天线跟踪卫星的静态和动态精度完全满足了移动卫星通信的技术要求     

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。     

空间相机隔振与姿态控制一体化设计

为了解决星上微振动导致高分辨率遥感卫星图像质量下降的问题,研究了空间相机隔振措施及其带来的异位控制问题,提出了同时采取相机隔振与控制规律修改措施的一体化设计方法,实现了隔振性能与姿态控制性能兼备的系统方案。对算例的研究结果表明,采用相机隔振-姿态控制一体化设计方法可以在保证姿态控制性能的同时大幅降低曝光时间内空间相机的视线抖动量。     

导弹目标红外场景仿真技术的研究与实现

红外场景的计算机仿真是导弹预警系统研究的重要环节。首先介绍了红外场景仿真系统整体组成；然后分析了红外场景仿真系统中导弹轨迹数据处理、背景云图变化模拟、卫星姿态扰动模拟以及探测器噪声模拟等关键技术，计提出了具体仿真实现方法；最后进行了仿真实验，合成出了部分导弹／背景图像。     

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.     

一种自旋稳定卫星姿态传感器数据异常的诊断方法

针对自旋稳定卫星遥测数据异常时,故障类型和故障源难于辨识的问题,提出一种数据驱动的故障诊断新思路.该方法提出将卫星姿态与传感器之间固有冗余关系是否保持作为判断故障类型的依据,并利用主成分分析把这种关系通过测量空间的特征值进行量化,监测特征值之间相应比例的变化实施判定;借助正交子空间的结构分析,选择SPE统计量进行故障检测和故障源的定位.在遥测数据的基础上模拟风云某型气象卫星的不同故障模式,并应用本文方法进行分析,结果表明,该方法克服了传统贡献图方法无法判别故障类型的缺点,可以实现对故障的正确诊断.     

Multiple model Kalman filter for attitude determination of precision pointing spacecraft

This paper proposes a novel multiple model estimator for the satellite attitude determination system composed of gyroscopes and star sensors. The main objective is to calibrate the low frequency error of the star sensor and improve the attitude determination accuracy. In the proposed approach, first, the specific frequencies of the low frequency error is extracted according to the frequency spectrum of the estimate of the gyroscope drift obtained from a standard Kalman filter; then, a bank of Kalman filters based on multiple models is implemented to identify the amplitudes of the error signals with the specific frequencies, such that a reference model is obtained to compensate for the effects of the low frequency error. Simulation results indicate that the proposed approach outperforms the existing calibration approach based on the state augmentation technique.