基于GPS的三维姿态确定系统研究

论述了基于GPS姿态确定的原理、方法、步骤。首先，利用最小二乘平差校准基线，得到基线的准确长度及相互间的几何关系；随后，可以利用这些约束条件加速模糊度求解过程，适于实时应用。通过估计基线向量得到姿态粗解，以粗解为初值进行迭代最小二乘平差，最后得到最终的姿态解。通过一个实验系统验证，给出了实验结果。     

基于GPS与磁强计组合的姿态确定

提出了一种基于信息融合的姿态确定方法用于姿态确定。利用星上的GPS接收机和磁强计两种敏感的测量，基于广义卡于尔曼滤波理论及信息融合理论，发展了基于此两种敏感器的全局最优融合估计算法。来确定卫星的姿态和姿态角速度。并对处法进行了设计和仿真，通过与单独使用GPS确定姿态的算法进行对比分析。结果验证了该算法进行对比分析，结果验证了该算法的优越性。     

基于联合滤波器的高精度卫星定姿系统设计

设计了由陀螺、GPS姿态敏感器、红外地平仪和太阳敏感器构成的太阳同步极轨卫星姿态确定系统。提出联邦滤波器结构和算法,推导了各子系统的量测方程和姿态确定系统的误差状态方程。为规避对量测值进行非相关处理,采用减小GPS姿态敏感器输出的姿态滤波值作为系统滤波器量测值的频率的方法。仿真结果表明,采用联邦滤波器对多敏感器卫星姿态确定系统进行信息融合,具有计算量小、精度高、可靠性好等优点。     

单天线GPS姿态测量系统在制导火箭中的应用

了解决火箭横向尺寸不足以安装多天线GPS的技术问题, 提高制导火箭飞行姿态 的测量精度, 研究了利用单天线GPS进行姿态测量的方法. 引入伪姿态的概念, 分析了由伪姿态测量辅助求取载体姿态的具体算法, 建立了单天线GPS姿态测量的数 学模型, 利用卡尔曼滤波模型对状态矢量模型进行滤波, 得到相应的速度、加速度信息, 根据常规姿态与伪姿态的关系, 得到火箭的常规姿态信息. 通过仿真研究, 验证了这种姿态测量系统在制导火箭上的可行性和有效性.      

基于双GPS接收机的精密定向研究

GPS定位系统除了可以进行定位、测速和授时外 ,还可以利用两个或多个GPS测量值进行方位测量和三轴姿态测量。文章对利用两块GPSOEM板同步接收的载波相位观测量来精密测定方位进行了深入研究。首先利用载波相位的双差观测方程 ;再根据两个天线间距离已知这个条件 ,对方位和俯仰进行二维搜索 ,并采用了模糊度函数作为搜索的判断依据 ;最后根据最小二乘计算出两个天线的基线矢量 ,从而最终计算出精密的方位值和俯仰角。经过大量的试验表明 ,该算法是切实可行的 ,在 5m基线下 ,方位精度达到 0 0 8°,而且定向时间一般只需 1min左右     

机载对地观测飞行轨迹设计与对比分析

针对机载对地观测载机长时间匀速直线飞行时分布式位置姿态测量系统(POS)姿态误差随时间积累的问题,基于载机有效机动能够提高分布式POS系统可观测度进而提高系统估计精度的思想,设计并对比多种机动方式下分布式POS系统的估计精度,并对机动后分布式POS系统进入测区前的滤波估计稳定时间、直线飞行成像时长和全球定位系统(GPS)基线长度进行了测试。仿真结果表明,设计的飞行轨迹能够提高成像段运动参数的测量精度,可为机载对地观测最优飞行轨迹的选择和设计提供理论指导。     

GPS/SINS全组合导航系统的姿态组合算法

利用卡尔曼滤波的GPS/SINS全组合导航系统中,将IMU量测的平台误差角简单的近似为姿态误差角,会带来较大的数学模型误差。文章通过分析姿态组合算法中平台误差角与姿态误差角物理意义的不同,得到了二者相互转换的关系式;从实际应用的角度出发,采用对观测向量预处理的方法,对姿态组合算法进行了改进,从而消除了数学模型误差,并且很容易进行工程实现。仿真结果表明使用改进后的姿态组合算法能够有效的提高全组合导航系统的精度。     

初级教练机中的低成本导航仪组合导航算法设计

为了解决初级教练机低成本组合导航仪中全球定位系统(GPS, Global Positioning System)信息更新频率过低,导致传统组合导航算法失效的问题,在对惯性器件进行建模的基础上,提出了一种基于运动学非线性模型的组合导航算法.该算法选取载体的姿态、速度和位移量作为状态量,以GPS、磁强计和高度计的测量值作为观测量,建立组合导航系统模型,利用卡尔曼滤波对线性化后的系统模型进行数据融合.通过静态试验和动态跑车试验,表明该组合导航算法能够使姿态误差均值控制在0.12°以内,速度误差均值不大于0.03m/s,位移量误差均值不大于3.94m,精度能够满足初级教练机的应用需要.     

高精度SINS/CCD/GPS组合导航系统研究与仿真

选取捷联惯导系统误差作为系统状态,利用捷联惯导系统(SINS)与电荷耦合器件(CCD)星敏感器各自的姿态矩阵输出构造量测,设计SINS/CCD组合导航算法;利用SINS与全球定位系统(GPS)各自的速度、位置输出构造量测,设计SINS/GPS组合导航算法。然后,利用联邦型卡尔曼滤波技术,将各子滤波器输出的系统状态局部最优估计值送入主滤波器,通过全局最优融合算法计算得到系统状态的全局最优估计值。仿真结果表明,基于SINS/CCD/GPS的组合导航系统具有很高的导航精度,达到了3.5m的定位精度和9″的航向精度,非常适用于飞行器的高精度导航定位。     

厘米级高精度GPS—SINS组合系统研究

成像传感器和定位子系统是先进机载成像系统的两个重要组成部分。以东、北、天坐标系为导航基准坐标系，建立了GPS－SINS组合系统状态的数学模型，详细推导了利用GPS双差相位及双差相位率的组合系统观测方程。仿真结果表明，该组合系统能达到厘米级定位精度，姿态精度为10″左右，可满足先进机载成像系统的要求。     

基于数据驱动的非合作航天器姿态估计与预测方法

针对临近操作对非合作航天器的相对导航问题，考虑角速度测量缺失以及视觉特征丢失，提出了一种融合乘性扩展卡尔曼滤波和姿态预测的框架，实现了对非合作航天器的姿态估计和预测。采用惯性参数对状态向量进行了扩维，在缺少角速度测量的情况下预估了非合作航天器的姿态和相对转动惯量的比值。基于函数拟合和神经网络分别设计了两种姿态预测方法，解决了传统方法误差随时间累积的问题，有效减少了计算成本。最后，通过数值仿真验证了滤波估计和姿态预测算法的实时性和准确性。     

基于对数势函数的深空探测器姿态规划与控制方法

针对深空探测器姿态约束机动问题,提出一种基于对数势函数的多约束姿态机动规划方法。首先,定义了两种姿态指向约束,即禁止约束和强制约束,并利用禁止约束和强制约束的性质构建了对数势函数作为Lyapunov函数;在此基础上采用改进退步法设计了探测器姿态机动控制器。数值仿真结果表明:该方法不仅在多约束情况下能够自主求出安全的机动路径,而且在分析和求解上计算效率较快,对于星上资源有限的深空探测器具有实际运用价值。     

基于特征结构配置的导弹可重构控制器设计

针对简化后的导弹姿态控制系统,运用特征结构配置法,提出了一种改进的控制系统的重构方法.根据输出反馈特征值配置原理,给出了原闭环系统特征结构的确定方法,并对可重构控制器的代价函数的确定方法进行了改进.这种算法通过输出反馈可以确保闭环系统的稳定性,同时可以解决故障前后系统阶数不一致的问题.仿真结果表明,该方法能够在保证故障后闭环系统稳定的基础上使系统性能得到最大可能的恢复.      

The attitude inversion method of geostationary satellites based on unscented particle filter

The attitude information of geostationary satellites is difficult to be obtained since they are presented in non-resolved images on the ground observation equipment in space object surveillance. In this paper, an attitude inversion method for geostationary satellite based on Unscented Particle Filter (UPF) and ground photometric data is presented. The inversion algorithm based on UPF is proposed aiming at the strong non-linear feature in the photometric data inversion for satellite attitude, which combines the advantage of Unscented Kalman Filter (UKF) and Particle Filter (PF). This update method improves the particle selection based on the idea of UKF to redesign the importance density function. Moreover, it uses the RMS-UKF to partially correct the prediction covariance matrix, which improves the applicability of the attitude inversion method in view of UKF and the particle degradation and dilution of the attitude inversion method based on PF. This paper describes the main principles and steps of algorithm in detail, correctness, accuracy, stability and applicability of the method are verified by simulation experiment and scaling experiment in the end. The results show that the proposed method can effectively solve the problem of particle degradation and depletion in the attitude inversion method on account of PF, and the problem that UKF is not suitable for the strong non-linear attitude inversion. However, the inversion accuracy is obviously superior to UKF and PF, in addition, in the case of the inversion with large attitude error that can inverse the attitude with small particles and high precision.     

Novel finite-time attitude control of postcapture spacecraft with input faults and quantization

This paper investigates a novel finite-time attitude control method for the postcapture spacecraft with an unknown captured space target in the presence of input faults and quantization. First, a quasi fixed-time convergent performance function is developed to quantitatively characterize the attitude tracking performance. Then, a backstepping prescribed performance attitude controller is devised via using integral barrier Lyapunov function. Compared with the existing works, the fractional state feedback and discontinuous controller is directly avoided to achieve the fixed-time convergence rate. Namely, the proposed fixed-time controller is easily achieved online. Finally, two groups of illustrative examples are organized to validate the effectiveness and robustness of the proposed control method.     

Constrained adaptive fault-tolerant attitude tracking control of rigid spacecraft

A saturated fault-tolerant attitude tracking controller for disturbed rigid spacecraft is derived using nonlinear state feedback control method. The proposed controller achieves the constraints of control inputs by directly using the bounded function instead of the traditional saturation compensator technique, and the active tolerance to the partial loss of actuator effectiveness is also achieved by directly using the known bounds of the actuator faults in the controller. Specifically, compared with the traditional saturated control methods, a continuously bounded nonlinear function in the proposed controller is used to guarantee that the actuator outputs are smoothly bounded under the prescribed constraints. Based on some properties of the attitude tracking dynamics, the proposed controller can ensure the attitude tracking errors converge to small neighborhoods of zero via stability analysis in the Lyapunov framework. Simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the control scheme.     

基于无源性的带液体晃动月球着陆器的姿态控制

针对带液体晃动的月球着陆器提出了一种基于无源性的姿态控制方法.分析了由拉格朗日力学建立数学模型的带液体晃动的月球着陆器系统的特性,并证明了该系统的无源性.无源性保证了系统的输入输出稳定性,提出的Lyapunov函数保证了系统的内部稳定性.根据系统的无源性和提出的Lya-punov函数推导出基于无源性的控制方法.仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果.     

姿态机动中SGCMG的一种改进奇异鲁棒操纵律设计

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)在卫星姿态控制中以其具有大力矩输出能力而受到重视并已成功应用于在轨卫星,其应用难点是构形奇异问题,特别是在快速连续机动的过程中,CMG框架角必须迅速脱离奇异状态.使用描述CMG输出力矩和期望控制力矩夹角的奇异度量方法,以便在仿真中观察判别CMG构形的奇异程度.着重改进CMG的奇异鲁棒操纵律,应用高斯函数的方法确定鲁棒系数.仿真实例表明,与传统的梯度型零运动相比,该方法可以在卫星的连续快速机动中使CMG系统更为迅速地摆脱奇异,更为快速地完成机动并减小姿态抖动.