基于载波相位三差的航天器GPS/INS组合定姿算法

研究了一种利用GPS载波相位三差观测信息的多天线GPS/INS组合定姿算法,其中包含一个基于惯性测量信息的GPS载波相位周跳检测算法。最后,通过仿真分析验证了该组合算法可以有效提高定姿精度,同时具有较好的稳定性。     

一种基于李群描述的深空探测器姿态估计方法

针对深空探测器姿态估计问题,提出了一种基于星敏感器的深空飞行器姿态估计新型算法,用李群替代了传统的四元数来描述姿态,避免了四元数转换为姿态矩阵产生的非唯一性和复杂计算等问题。该算法给出了基于星敏感器的姿态观测方程和空间中刚体的运动学模型在李群下的描述并提出了一种基于李群的滤波算法,完成了深空飞行器动态姿态的确定。该线性化模型解决了传统非线性模型在滤波过程中产生的误差,同时省去了四元数转化为姿态矩阵的步骤,减少了计算量。最后,仿真实验中对比了传统的基于四元数的姿态确定算法,可以看出该算法具有更好的稳定性和准确性。     

一种面向空间飞行器视觉导航的椭圆检测算法

基于椭圆特征的空间飞行器视觉导航技术是一种新颖的高精度空间探测自主导航方法,如何对空间目标的环形边缘进行精准提取和高效拟合是实现空间飞行器视觉导航的必要条件。针对该问题,提出一种面向空间飞行器视觉导航的椭圆检测算法。利用多项式逼近导航图像连续边缘段的方式提取椭圆弧段;通过基于极大似然假设检验理论构建的模型选择判据,对来自同一个椭圆的椭圆弧段进行准确合并;对合并后的椭圆弧段进行拟合,得到空间飞行器视觉导航的椭圆检测结果。大量的仿真实验表明：与传统的椭圆检测算法相比,所提算法具有较高的精度和更高的鲁棒性,可以广泛应用于空间飞行器视觉导航图像椭圆检测,为空间飞行器视觉导航算法提供精准的二次曲线输入。     

基于自适应动态规划的航空航天飞行器鲁棒控制研究综述

自适应动态规划方法(ADP)是一种基于强化学习框架的智能控制方法,通过函数近似技术,最终得到动态规划问题的近似最优控制策略.本文对ADP方法在航空航天飞行器鲁棒控制的研究进行综述.首先,介绍了ADP方法基本结构框架与典型算法实现原理.进一步,对于ADP方法在高超声速飞行器系统,导航制导系统以及无人机系统在鲁棒控制中的相关研究进行介绍.最后,对未来航空航天飞行器领域ADP方法的发展前景进行了分析.     

GPS实时定姿系统的设计与实现

以GPS OEM板为基本硬件,在自行研制GPS实时定姿软件的基础上,搭建了GPS实时定姿系统。该系统硬件结构简单,成本低廉。定姿软件解决了数据接收、解码、同步,模糊数快速计算,动态检校等关键技术。经多次静态、动态试验验证,系统运行稳定,动态跟踪性能良好。基线长度为1.2m时,定姿精度优于0.3°,可单独用于系统的导航,或作为系统导航设备的校准装置,具有很好的应用价值。     

基于自适应动态规划的航空航天飞行器鲁棒控制研究综述#br#

自适应动态规划方法(ADP)是一种基于强化学习框架的智能控制方法，通过函数近似技术，最终得到动态规划问题的近似最优控制策略.本文对ADP方法在航空航天飞行器鲁棒控制的研究进行综述. 首先，介绍了ADP方法基本结构框架与典型算法实现原理. 进一步，对于ADP方法在高超声速飞行器系统，导航制导系统以及无人机系统在鲁棒控制中的相关研究进行介绍. 最后，对未来航空航天飞行器领域ADP方法的发展前景进行了分析.     

基于矢量观测的航天器分段信息融合定姿方法

针对基于MEMS(微机电系统)陀螺和CMOS APS星敏感器的集成惯性/星光姿态确定系统的低精度特点,研究了适用于该定姿系统的基于矢量观测的定姿算法.对于陀螺/星敏感器这种配置模式,有EKF(Extended Kalman Filter)、QUEST、最优REQUEST等几种适用的定姿算法.针对EKF和最优REQUEST算法的不同特点并结合确定性算法QUEST,以四元数为姿态参数,将姿态估计的EKF方法分别与QUEST算法和最优REQUEST算法进行了融合,提出一种分段信息融合的姿态估计器:陀螺漂移估计误差较大时,将EKF与QUEST结合,快速估计出陀螺漂移.当陀螺漂移误差减小到一定程度,再切换为EKF与最优REQUEST算法融合的双重滤波器.仿真比较结果表明,这种分段信息融合的姿态估计器既可以估计姿态参数也可以估计陀螺漂移,并能达到很高的定姿精度.     

自旋飞行器姿态运动的动态-测量系统建模

模型化处理是飞行器测控工程的重要技术之一。文章以在轨自旋飞行器的姿态运动为研究对象,采用动力学分析的方法,不仅实现了姿态角演化微分方程与转动角速度微分方程的严格解耦,而且提出并建立带关联方程的动态-测量系统模型。基于该系统模型和扩展Kalman滤波/预报算法,建立了姿态角最优估计和转动角速度高精度估计算法。     

空间飞行器碎片防护结构的简化设计

给出一种基于实验和理论分析的航天器碎片防护结构简化设计方法 ,该方法可用于进行大型空间飞行器碎片防护结构的方案选择和初步结构设计。利用空间碎片的工程环境模型和防护结构几何经验公式 ,采用“设计碎片”的概念 ,对防护结构进行几何结构设计和质量估算 ,并采用改进的防护性能验证算法进行空间碎片的风险评估。通过对惠式防护结构的计算 ,得到的计算结果基本符合实际要求。     

基于输出重定义的再入飞行器动态逆姿态控制

再入飞行器仅使用两个体襟翼对姿态进行控制将导致横侧向运动中包含不稳定内动态。针对这一欠驱动问题,提出基于输出重定义的动态逆控制方法。采用输出重定义技术使零动态局部稳定,通过极点配置提高零动态的鲁棒性,对重定义输出系统进行反馈线性化从而设计动态逆控制器。仿真结果验证了该方法能确保零动态的稳定性,并显示出在镇定侧滑角的同时对攻角指令和倾侧角指令良好的跟踪性能,通过与反推力控制系统（RCS,Reaction Control System）单独控制的结果进行比较,表明该控制方法仅依靠气动舵面就能实现姿态的稳定控制,既节省了燃料,又减小了飞行器的结构复杂度,并且增大了飞行器的有效载荷。     

基于单目视觉的非合作目标相对位姿测量

为实现对空间姿态翻滚航天器的在轨服务与维护以及对空间碎片的清理，需对其进行精确的相对位姿测量。针对相对位姿测量问题，提出了基于单目视觉与卡尔曼滤波的相对位姿测量方法。通过对特征点匹配算法进行调查，采用了具有尺度不变性与旋转不变性的尺度不变特征变换算法(SIFT)和加速稳健特征算法(SURF)的特征点提取方法，并对二者进行了对比，得到了二者分别适用的工况条件。通过对Kalman滤波算法进行研究，引入了相机偏置矩阵，设计了Kalman滤波器，解决了单目相机的距离模糊问题，估计得到了非合作目标的相对位姿、主惯量比以及特征点位置信息。经过仿真，姿态角度估计误差在稳定后低于0.3°，相对位置估计误差在稳定后低于0.5m，相较于真值，误差小于1.67%，主惯量比估计误差在稳定后低于0.01，特征点位置误差在稳定后低于0.005m。在引入相机偏置条件后，滤波状态变量均收敛，并得到具有足够精度的估计，成功解决了单目相机深度信息缺失问题。     

椭圆轨道航天器相对导航的多项式插值滤波算法

针对运行于椭圆轨道的航天器的相对自主导航问题,建立了惯性坐标系下的近距离相对运动方程,方程中没有圆轨道的假设,相对Clohessy-Wiltshire(C-W)方程具有更广的应用范围。将二阶多项式插值(Divided Difference 2,DD2)滤波应用于相对导航算法中,和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)相比,前者不需要对状态方程组进行微分处理,且对非线性函数统计特性近似到二阶程度。数值仿真比较了DD2滤波和EKF两种算法的性能,验证了利用惯性坐标系下的近距离相对运动方程实现相对导航的可行性,并分析了主动航天器的轨道和姿态确定误差对相对导航精度的影响。     

一种基于双目视觉的卫星相对位姿测量方法

卫星位姿测量技术是与航天飞行器相关的空间操控活动中一项核心的支撑技术.考虑到太空环境中光源单一，且卫星表面一般为反光材质，提出了一种基于双目视觉的卫星相对位姿测量方法.在卫星面板标志点可见时，本文方法利用卫星对接环外环和卫星面板标志点测量卫星相对位姿.在卫星距离对接目标较近，无法观测到卫星面板标志点时，本文方法利用ORB特征点匹配测量位姿.为了增强鲁棒性，本方法还利用光流追踪法和卡尔曼滤波器优化位姿测量的结果.仿真实验结果表明，本方法能够在光源单一背景下对任意种类的卫星在对接过程中进行准确的位姿测量.     

基于先验子图检测的失效航天器SLAM方法

基于激光雷达的航天器位姿估计技术是当前在轨服务研究热点。针对失效航天器位姿估计,将通用的图优化SLAM技术应用到空间非合作目标的研究中。为解决SLAM算法在动态场景中产生累积误差问题,利用失效航天器自身运动特点,提出一种基于先验子图检测改进的SLAM算法。在该算法中,通过激光雷达和惯性测量单元分别采集失效航天器及周围环境的点云数据、服务航天器的运动信息,构建出服务场景下航天器的相对位姿图;再采用先验子图检测方法建立不连续的位姿节点间的约束关系;最后用约束信息对位姿图进行优化。仿真结果表明,相较于通用的SLAM算法的位姿估计,该方法减小了累积误差,提高了相对位姿估计精度,可以为后期的导航、控制等在轨任务提供信息。     

面向立方星的相对位姿测量视觉传感器设计

针对立方星在轨服务任务中的近距离相对导航问题，提出一种相对位姿测量视觉传感器设计。为应对空间复杂的光照条件，设计一种具有多层结构的立体靶标，选取波长为850nm的LED灯作为立体靶标的光源。在相机镜头处安装850nm的红外窄带滤镜以提高立体靶标成像质量。为提高视觉传感器的测量精度，提出一种迭代直接求解(iterative direct solution, IDS)的相对位姿估计算法。该算法直接利用立体靶标上的非共面点提供的深度信息获得初始相对位姿，然后引入Haralick迭代算法来优化初始测量结果。搭建六自由度实验平台对该视觉传感器进行性能测试。实验结果表明,该视觉传感器能克服背景光的干扰，且提出的 IDS相对位姿估计算法的精度优于经典的P3P算法和EPnP算法。     

可见光/激光组合的相对位姿测量研究

针对可重构航天器模块超近距离对接场景下特征点消失问题，提出一种可见光/激光的高精度相对位姿测量方法。该方法先通过可见光/激光组合对初始相对横滚角误差进行校零，完成粗校准环节；然后通过激光二维双镜反射法进行精确的相对位姿解算，获得高精度相对位姿数据。仿真结果表明，在现有技术条件下，该方法在模块相对距离在100cm内可不依赖视觉特征点，实现±1.2mm和±0.03°的相对位姿测量精度，为模块航天器对接后续的超近距离高精度位姿控制奠定基础。     

返回式航天器轨道周期变率确定及预报的数值方法

对返回式航天器进行变轨控制计算时要用到平均轨道周期变率,而数值法定轨通常求解的是大气阻力系数,无法直接得到平均轨道周期变率。文章通过建立航天器精密动力学模型、数值积分器、瞬时轨道根数到平均轨道根数的转换算法和平均周期序列多项式拟合算法,提出了一种基于数值法精密轨道确定和预报计算平均轨道周期变率的数值方法。     

遗传算法在编队卫星群轨道机动中的应用分析

卫星群机动是航天器发展的一个方向.针对编队卫星群的Lambert机动问题,采用Gim-Alfriend矩阵建立了包含中心轨道根数和摄动项的群卫星的相对运动模型,设计了转移轨道上的卫星群队形协同保持的脉冲控制策略.应用遗传算法对编队卫星群轨道机动问题进行了优化,优化指标分别为卫星群协同变轨过程中总燃料消耗最少或燃料均衡分配最小.分析了群机动过程中燃料消耗的影响因素.算例结果表明遗传算法可以很好地应用于编队卫星群机动问题.     

Pose measurement and motion estimation of non-cooperative satellite based on spatial circle feature

Malfunctioned satellites have seriously threatened orbital safety, and the capture of these satellites is of great significance. The pose measurement and the motion estimation of the tumbling satellite is the premise of capture. In this paper, the docking ring of the satellite is identified, which is equivalent to a spatial circle. Combined with the nozzle feature, the pose duality of the spatial circle can be eliminated. And the measurement accuracy is improved by minimizing the reprojection error of the docking ring and the nozzle. Due to the symmetry of the docking ring, the measured pose has only five degrees of freedom, losing the degree of freedom of rotation around the normal vector. In the motion estimation algorithm, the observability of the tumbling motion is firstly analyzed, then an error-state Kalman filter with inertia ratio constraints is designed. To improve the convergence speed and stability of the filter, a rough estimation algorithm of filter initial value based on linear term extraction and particle swarm optimization is proposed. The effectiveness of the pose measurement and motion estimation method is verified by simulations.