关于剩磁对卫星姿态确定与控制影响的研究

讨论了稳态剩磁对地磁姿态确定与控制系统的性能的影响。对某些卫星来说,星上的直流电设备单元会产生一个支配性的稳定磁场。文中提出一个姿态确定滤波器对剩磁场的影响进行了估计,然后从剩磁矩指向、大小及伸杆长度3方面分析了剩磁干扰力矩对姿态控制精度的影响。通过计算机仿真发现:该滤波器能有效消除剩磁场对姿态确定的影响;不同指向的剩磁矩令三轴控制精度出现较大的起伏,而不断增大的剩磁量则使控制偏差呈正比例增大,伸杆长度的影响却很微小。     

微小卫星太阳敏感器/磁强计实时标定算法研究

 提出了一种对磁强计/太阳敏感器的无姿态信息的在轨实时标定方法。在现有的标定算法中，仅采用地磁矢量的模作为观测量，本文引入地磁矢量与太阳矢量之间的数量积作为观测量，增强了其可观性，也使对太阳敏感器的实时标定成为可能。扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter，EKF)虽然获得广泛应用，但其线性化过程会引入截断误差，而无香卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter，UKF)是非线性滤波方法，不须对系统进行线性化。分别利用EKF与UKF的滤波标定算法进行标定研究，仿真结果表明了本文算法的有效性，如磁强计偏置的标定精度，UKF比EKF高26%。     

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。     

基于星敏感器的卫星姿态估计方法研究

以星敏感器姿态信息作为测量数据,结合卫星姿态动力学方程组,采用增广卡尔曼滤波方法对无陀螺卫星姿态进行估计。研究发现,干扰力矩的变化会降低卫星姿态估计结果的精度,为此提出两种改进的姿态估计算法:增广自适应卡尔曼滤波方法和增广强跟踪卡尔曼滤波方法;仿真表明,两种算法都能很好地克服干扰力矩变化导致的精度下降现象。     

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。     

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。     

一种地球同步自旋卫星红外弦宽差分定姿方法

 提出了一种定点后地球同步自旋卫星姿态确定方法，推导了它的计算公式。充分利用了定点后卫星相对地球位置固定不变的特点，只利用一个参考矢量和卫星的位置信息，就可以确定卫星的姿态，完全消除了传统定姿态方法的几何条件限制。由于本方法姿态计算过程中利用的是星上红外地球敏感器测量数据的差分值，消除了测量数据中系统差对定姿精度的影响，使定姿精度提高到0.01°，实际工程应用效果进一步证明了该算法的正确性和精度。     

利用Singer模型的无陀螺姿态和角速度估计

 给出了一种利用Singer跟踪模型的扩展卡尔曼滤波器 (ExtendedKalmanFilter) ,用于无陀螺姿态和姿态角速度估计。在滤波器中 ,姿态和姿态误差分别由姿态四元数和误差四元数表示 ,而姿态角加速度由一阶Markov过程描述 ,从而避免采用姿态动力学模型。利用数值仿真计算验证了滤波器的性能。在所有的仿真过程 ,滤波器显示出快速收敛能力。稳态估计误差主要由测量更新频率和精度决定。     

改进联邦滤波器在小卫星姿态确定中的应用

采用微小卫星姿态运动学、动力学方程,以磁强计／太阳敏感器为姿态敏感器进行姿态确定,研究了一种基于融合反馈的改进联邦滤波算法,提出了一种基于观测新息修改的信息分配原则。给出了由四元数描述卫星姿态的误差状态方程,并对观测矢量进行推导,获得了基于角速度的观测方程,丰富了观测模型。仿真结果表明：基于角速度观测方程的引入,增强了观测信息的利用率,进而提高了姿态确定的精度,降低了计算量,保证了可靠性。     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

On-orbit real-time magnetometer bias determination for micro-satellites without attitude information

Due to the disadvantages such as complex calculation, low accuracy of estimation, and being non real time in present methods, a new real-time algorithm is developed for on-orbit magnetometer bias determination of micro-satellites without attitude knowledge in this paper. This method uses the differential value approach. It avoids the impact of quartic nature and uses the iterative method to satisfy real-time applications. Simulation results indicate that the new real-time algorithm is more accurate compared with other methods, which are also tested by an experiment system using real noise data. With the new real-time algorithm, a magnetometer calibration can be taken on-orbit and will reduce the demand for computing power effectively.     

基于航向匹配的磁力计外场无依托标定算法CSCD

三轴磁力计的测量精度会受到自身和环境的影响,因此在使用前必须要进行标定。传统标定方法需要特定的精密仪器和标定环境,或是对计算量和采集数据的方式有较高的要求,针对这些问题,提出了基于航向匹配的磁力计外场无依托标定算法。该算法无需特定精密仪器、对数据采集和计算量的要求也较低,且可以在现场实现有效动态标定。该算法基于航向角是磁航向角与磁偏角代数和的原理,通过等价数学变换构建了磁力计零偏关于姿态角与磁力计测量值的线性模型,最终采用最小二乘法对磁力计的零偏进行估计。该算法可以估计三轴磁力计的零偏,对磁力计的测量结果有较好的补偿作用。实验结果表明,该算法可有效标定三轴磁力计,减小其测量误差。经标定的磁力计可以应用于地磁匹配导航,辅助惯性导航修正其位置误差,尤其是在长直路段内,磁力计标定过程中识别出的磁异常数据可以为地磁匹配导航提供基础信息。     

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。     

磁强计在航天器上的应用与前景

随着科学的进步,磁强计已被广泛地应用于航天器.本文首先根据磁强计测量原理的不同,对其进行分类.分别介绍各类磁强计的物理测量原理,描述其特性、精度、适用范围.同时概括目前在航天器得到较广泛应用的磁强计.在此基础上,进一步具体分析磁强计作为卫星载荷、姿态测量和控制以及自主导航轨道计算的方法、作用和特点.然后,针对这三个方面应用指出其在航天器上应用存在主要问题和关键技术.最后,对磁强计在航天器上的应用进行总结.同时对其未来的发展进行展望,磁强计在航天器上仍有着良好发展前景.     

一种基于GPS/磁强计/加速度计的组合导航/定姿方法

针对当前常用的导航、定姿方法存在的不足,提出了一种采用单天线GPS、磁强计和加速度计的组合导航、定姿方法.以常见的匀加速模型作为系统方程,以GPS输出的位置和速度作为观测量,设计了卡尔曼滤波器,获得更精确的载体速度、位置和加速度信息.在获得加速度估值之后,根据地磁场和载体比力在载体坐标系和导航坐标系的投影关系构造姿态矩...     

A Vector Autopilot System

Current technology has evolved low cost, highly reliable solid state vector magnetometers with excellent angular resolution. This paper discusses the role of a three-axis magnetometer as a new instrument for aircraft attitude determination. Using flight data acquired by an instrumented aircraft, attitude is calculated using the Earth's magnetic field vector and compared to measured attitudes. The magnetic field alone is not adequate to resolve all attitude variations and the need for a second reference angle or vector is discussed. A system combining the functions of heading determination and attitude measurement is presented to show that both functions can be implemented with essentially the same component count required to measure heading alone. lt is concluded that with the correlation achieved in calculated and measured attitude there is a potential application of vector magnetometry in attitude measurement systems.     

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.