仅用星敏感器的卫星姿态估计UKF算法研究

针对无陀螺或陀螺失效等情况下的卫星姿态确定问题,应用基于Unscented变换的Unscented滤波理论,提出了仅利用星敏感器矢量观测信息来确定无陀螺卫星姿态的Unscented卡尔曼滤波算法,并进行了数学仿真,仿真结果表明了所提出的UKF算法在无陀螺情况下对卫星姿态估计的有效性和可靠性。     

利用修正罗德里格参数进行飞行器姿态估计

给出了一种利用修正罗德里格参数（Modified Rodrigues Parameters）进行姿态估计的算法。该算法用于利用矢量观测的无陀螺姿态和姿态角速度的确定，采用切换方法处理了修正罗德里格参数的奇异性问题，修正罗德里格参数的误差定义为从估计姿态到真实姿态的旋转，根据姿态误差运动方程，用扩展卡尔曼滤波方法设计了姿态和姿态角速度估计器，用数值算例验证了算法的可行性。     

无陀螺飞行器姿态和角速度确定

通过预测滤波方法研究了利用矢量观测确定无陀螺飞行姿态和角速度的方法。给出的观测滤波法在一定的二次型优化准则下，对飞行器姿态和名义姿态运动模型的等效角速度误差可同时进行实时估计，能够准确跟踪敏感器的测量，有效减小模型误差的影响，数值仿真结果验证了算法的优越性。     

磁强计数据辨识卫星自旋状态

针对近地低轨三轴稳定卫星在轨管理后期,除磁强计外其他姿态敏感器都无效情况下的姿态异常问题,分析了三轴稳定卫星失去姿态基准后,星体自旋状态下三轴磁强计测量数据的特点,提出了使用磁强计测量数据的矢量信息,以找到能够获取卫星状态的方法,从而建立了磁强计测量矢量与卫星自旋轴的几何关系,给出了处于自旋状态下的卫星自旋轴确定方法。通过此种辨识方法,获得了某气象卫星姿态异常翻转状态下的自旋矢量方向和自旋角速度,从而证明了该辨识方法快速、有效,可以作为姿态异常卫星自旋状态的辨识手段,为恢复卫星姿态提供了重要信息,具有一定的工程应用价值。     

三轴稳定卫星无陀螺姿态确定算法研究

针对三轴稳定卫星进行了正常飞行模式下无陀螺姿态确定算法研究，采用磁强计、地球敏感器和太阳敏感器组合获得姿态数据，利用四元数法和高斯－马尔可夫过程建立了姿态确定估计器算法模型。通过数学仿真证明，此姿态确定算法能够对星体姿态进行较精确的估计或校正，满足卫星控制精度要求。     

皮卫星姿态估计及粗太阳敏感器标定算法研究

粗太阳敏感器是一种由多个光电池片配置组成的模拟式太阳敏感器,它结构简单、资源要求少,在皮卫星平台应用较为广泛。光电池光伏输出特性是粗太阳敏感器测量的基础,使用余弦关系近似等效会引入很大的误差。通过实际测试和深入分析,建立了更高精度的粗太阳敏感器输出特性等效数值模型,并以此为基础,推导了卫星姿态估计及粗太阳敏感器标定的联合在轨实时算法。算法采用多级耦合结构,由1个扩展卡尔曼滤波器(EKF)和6个卡尔曼滤波器组成,同时估计卫星姿态、卫星角速度以及卫星6个面共30个标定参数。仿真表明,和常规的EKF姿态估计算法相比,联合算法的运算量只增加了一半,而估计精度却提高了一个量级。     

根据同时观测信息确定航天器 姿态四元数的一种解析方法

介绍根据星敏感器同时观测几颗恒星的方向信息,用最小二乘法确定飞行器姿态的经典Wehba问题.针对用四元数描述飞行器姿态的情况,推导了的一种解析算法.观测5颗恒星实例的仿真结果表明,该算法能保证飞行器体轴系相对惯性系姿态的高精度.     

大载荷摆动情况下飞行器姿态控制研究(英文)

天文观测卫星的主敏感器安装在一个具有二自由度、并直接与卫星平台相连的万向支架上。因敏感器的质量和长度不能忽略,故卫星姿态及其质心位置、转动惯量等结构参数将因敏感器与卫星间的角运动而发生改变,因此大载荷摆动情况下的飞行器姿态控制是本文研究的重点。本文根据动量矩定理推导出了存在内部相对运动的二刚体动力学模型,卫星系统的转动惯量将由该模型确定。由卫星的当前及其期望姿态四元数,构建出描述卫星姿态偏差的拟欧拉角;对拟欧拉角进行规范化处理,以保证三通道所对应的拟欧拉角分量分别由控制力矩的3个分量所控制。之后,提出了基于拟欧拉角的姿态开关控制律,该控制律可保证三通道所对应的相轨迹可沿开关线滑向坐标原点(其期望状态)。仿真结果表明,即使是在结构不对称和三通道严重耦合的情况下,该控制律也能保证卫星姿态可以得到较好的控制。     

微小卫星剩磁在轨标定技术研究

 基于微小卫星姿态确定系统常采用无陀螺配置方案，克服环境干扰力矩的影响并提高微小卫星姿态确定的精度是此类姿态确定系统的关键。分析了星上稳定剩余磁场对无陀螺微小卫星姿态确定的干扰机理，建立了卫星剩余磁矩与磁强计偏置标定模型。以磁强计、太阳敏感器作为姿态敏感器件，并采用扩展卡尔曼滤波器实现标定算法，为无陀螺磁测微小卫星消除剩磁干扰，获得高精度姿态估计提供了一种新方法。仿真结果表明：该方法能准确估计卫星剩余磁矩与磁强计偏置，磁强计偏置的标定精度在1 nT左右，剩余磁矩的标定精度为0.000 1 A·m²量级，有效消除了剩磁对无陀螺卫星姿态确定的影响，显著提高了姿态确定精度，滤波器能在500 s内收敛。     

弹载大视场星惯组合深度融合导航技术

为了降低弹载星惯组合（Stellar-INS）飞行中段对调姿观星的要求，提高星惯组合姿态精度，提出了大视场（LFOV）星惯组合深度融合导航方法。小视场（NFOV）星敏感器输出星矢量为主，大视场星敏感器可同时输出姿态和星矢量信息，分别推导了基于星敏感器输出姿态和星矢量信息的观测方程，分析了星矢量和姿态观测方法之间的关联性。建立了包含星惯安装误差、陀螺误差以及初始平台误差角的星惯组合全误差项模型，基于线性卡尔曼滤波给出了深度融合导航方法。开展了数学仿真验证，分析了不同调姿观星路径约束下，大/小视场星惯组合性能差异。结果表明，大视场星惯组合深度融合导航方法不仅可以降低调姿观星约束要求，还可以实现组合姿态性能提升。     

DOA estimation for attitude determination on communication satellites

In order to determine an appropriate attitude of three-axis stabilized communication satellites, this paper describes a novel attitude determination method using direction of arrival （DOA） estimation of a ground signal source. It differs from optical measurement, magnetic field measurement, inertial measurement, and global positioning system （GPS） attitude determination. The proposed method is characterized by taking the ground signal source as the attitude reference and acquiring attitude information from DOA estimation. Firstly, an attitude measurement equation with DOA estimation is derived in detail. Then, the error of the measurement equation is analyzed. Finally, an attitude determination algorithm is presented using a dynamic model, the attitude measurement equation, and measurement errors. A developing low Earth orbit （LEO） satellite which tests mobile communication technology with smart antennas can be stabilized in three axes by corporately using a magnetometer, reaction wheels, and three-axis magnetorquer rods. Based on the communication satellite, simulation results demonstrate the effectiveness of the method. The method could be a backup of attitude determination to prevent a system failure on the satellite. Its precision depends on the number of snapshots and the input signal-to-noise ratio （SNR） with DOA estimation.     

着陆小行星的视线测量自主光学相对导航算法及其可观性分析

 以软着陆小行星为工程应用背景,提出了基于视线(LOS)测量的自主光学相对导航算法,并对导航算法的可观性进行了比较深入的分析研究。首先,基于透视投影模型的共线方程,给出了导航测量方程和测量敏感矩阵;接着,通过多个视线矢量的测量,应用高斯最小二乘微分修正(GLSDC)和龙贝格-马尔塔(LM)算法对探测器的位置和姿态参数进行了估计。然后,通过对误差方差阵逆矩阵秩的分析,比较详尽地分析了不同数量视线观测条件下导航算法的可观度和可观性。最后,通过数学仿真对所提出的自主导航算法的可行性进行了验证。     

利用GPS进行姿态估计的一种算法

首先建立了全球定位系统（ＧＰＳ）姿态确定的观测方程;然后给出了利用ＧＰＳ进行飞行器姿态估计的模型,并对该模型进行了线性处理;最后利用攻推广卡尔曼滤波技术,针对某飞行器进行了仿真计算。计算结果表明,对于不同的测量噪声和系统噪声,滤波器都有较好的估计,姿态估计的精度明显高于单纯ＧＰＳ姿态确定的精度,可以满足大多数飞行器对姿态确定的要求,证实了模型和算法可用性。     

利用姿态测量数据确定卫星初始轨道

提出了一种利用姿态测量数据确定卫星初始轨道的新方法。姿态确定后,根据卫星姿态与位置函数的关系,可确定位置矢量的方向数。采用三个不同时刻的测量值,根据飞行时间定理和几何约束条件,得到卫星轨道的解析方程。利用微分校正法解方程即可得卫星轨道参数,最后对卫星多种姿态及飞行轨道进行了仿真计算,结果显示迭代算法收敛,证明此方法是可行的。     

基于EKF的小型涵道式无人机航姿系统算法研究

针对小型涵道式无人机,设计了一种基于扩展Kalman滤波的航姿估计算法。采用四元数作为状态变量,利用陀螺仪的输出构成状态方程,通过加速度计与磁阻传感器构造观测方程来进行扩展Kalman滤波解算。相对于通常的航姿估计算法,这种算法减少了运算量,更适合于基于嵌入式微处理器的航姿估计。实验结果表明这种算法有效的抑制了航姿系统的各种噪声与干扰,同时保证了姿态输出的精度与实时性,可以为小型无人机提供准确的航姿信息。     

一种同步自旋卫星姿态控制优化方法

根据同步自旋卫星姿态的运动规律以及自旋卫星姿态的长期实测数据,建立了姿态变化规律方程,采用最小二乘方法求解姿态变化方程,实现对自旋卫星姿态预测,预测误差小于0.05..针对目前工程应用中姿态保持周期短的问题,结合姿态及轨道倾角变化规律,建立目标姿态选取的约束方程,并利用投影梯度法求解约束方程,寻求姿态保持时间长的姿态控制目标.实际应用结果表明：该方法可以延长姿态控制周期,使自旋卫星姿态保持周期达到1 a.     

飞机燃油油量测量及姿态误差修正方法

提出了一种基于 CAD技术的航空燃油油量实时测量方法。采用三维实体造型技术 ,建立了某飞机机翼油箱模型 ,利用油量传感器的输出值及飞机姿态信息 ,对燃油油量进行实时测量及姿态误差修正。     

Angular velocity determination of spinning solar sails using only a sun sensor

The direction of the sun is the easiest and most reliable observation vector for a solar sail running in deep space exploration. This paper presents a new method using only raw measurements of the sun direction vector to estimate angular velocity for a spinning solar sail. In cases with a con-stant spin angular velocity, the estimation equation is formed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector;the least-squares solution is then easily calculated. A performance criterion is defined and used to analyze estimation accuracy. In cases with a variable spin angular velocity, the estimation equation is developed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector and the attitude dynamics equation. Simulation results show that the proposed method can quickly yield high-precision angular velocity estimates that are insensitive to certain measurement noises and modeling errors.     

调频连续波激光雷达目标相对距离及径向速度信息提取方法

利用线性调频连续波（LFM/CW）激光雷达进行测量时,相对运动引起的多普勒效应和信息输出延迟都会造成测量结果偏差。分析了多普勒效应和信息输出延迟对测量的影响,提出了基于偏差抵消原理的相对距离及径向速度信息提取方法,根据测量任务需求对该方法和基于二维傅里叶变换的信息提取方法进行了仿真比较。结果表明：基于偏差抵消的信息提取方法不仅可以在相对径向速度未知的情况下准确提取目标相对距离信息,更可在每个调频周期结束后给出测距结果从而提高测距实时性;相比基于二维傅里叶变换的信息提取方法,当相对径向速度小于750 m/s时,基于偏差抵消的信息提取方法可使得测速偏差减小一个数量级。     

INS/GNSS组合导航系统空中快速对准方法

针对机载惯性/全球导航卫星系统(INS/GNSS)组合导航系统地面静基座对准时间较长、航向对准精度较低以及惯导空中故障重启后无法快速得到精确姿态信息重新进入导航状态等问题,提出一种快速初始对准方法。该对准方法基于惯性导航比力方程,利用GNSS的定位、测速信息与惯性测量组件(IMU)的输出信息解算载体姿态信息,并结合遗传-牛顿算法与求和自回归滑动平均(ARIMA)模型卡尔曼滤波信号降噪技术提高姿态信息的解算精度。基于实测飞行数据的解算验证了该方法的有效性、对准精度以及在实际工程应用中的优越性。