星敏感器姿态测量相对基准偏差在轨标校方法研究

摘要： 对航天器星敏感间姿态测量基准偏差在轨标校及性能评估问题进行研究.建立包含敏感器安装误差与测量误差的星敏感器模型,针对两种不同形式的安装误差模型,推导出相应的观测方程,基于卡尔曼滤波方法设计相对基准偏差估计器,并比较分析两种估计器实际应用特点.然后针对在轨实际应用,给出一种基于敏感器光轴夹角的标校性能评估方法,通过数学仿真验证星敏感器相对基准偏差的标校的有效性,并基于在轨数据的标校应用获取相对基准偏差在轨特性.     

深空探测器大口径天线指向在轨标定方案

基于深空探测器配备的大口径天线的指向精度要求,给出了一种深空探测器大口径天线在轨指向的标定方案,以解决深空探测器安装的大口径天线的在轨指向评价问题。通过对飞行器特点和约束条件的分析,结合"嫦娥4号"中继星天线的具体情况,采用星地协同工作的方法,给出了天线指向在轨标定的方案,并明确了标定的实施流程,最后对标定过程中的误差情况进行了分析。本方案可推广应用于其他深空探测器大口径天线指向标定方案的设计。     

一种利用角动量进行电推力矢量标定的算法

航天器上越来越多地使用电推进进行轨道修正,电推力器的配置安装和使用方式决定了电推进的调整策略,大多数情况下在轨卫星都需要进行电推力矢量的标定和调整。针对国内某类型地球静止轨道卫星,提出一种利用在轨电推力器工作时引起的星体角动量变化来进行电推力矢量标定及调整的算法,同时给出了国内首次在轨电推力矢量标定及调整的应用实例。在轨标定结果表明算法正确可行,该算法为在轨卫星电推标定和调整提供了一种解决方案。     

星敏感器低频误差在轨校准方法研究

研究星敏感器低频误差在轨校准问题.星敏感器低频误差主要由周期性的空间热环境变化造成,会对卫星姿态确定精度造成显著影响.针对这一问题,提出一种星敏感器低频误差校准新方法,通过扩维卡尔曼滤波同时估计卫星姿态和低频误差参数.研究表明,采用所提低频误差校准方法能够显著提高姿态确定系统的性能.基于在轨卫星上的星敏感器遥测数据建立了用于数学仿真的星敏感器低频误差模型,数学仿真结果验证了低频误差校准方法的有效性.     

地磁测量卫星的矢量磁场在轨标定算法仿真

以SWARM为代表的高精度地磁测量卫星对地球磁场探测精度经过标定之后优于0.5 nT,对于开展地磁科学研究具有重要意义。地磁测量卫星通过安装在伸展杆上的矢量磁通门磁强计、标量磁强计和高精度星敏感器,获取测量方向的惯性空间姿态的地磁信息,其中高精度标量磁强计主要用于对磁通门矢量磁强计进行标定。针对地磁测量卫星,研究了矢量磁强计在轨测量误差的校正方法。考虑到矢量磁强计非正交角、标度因子以及偏差的影响,建立磁场矢量线性输出模型;结合标量磁强计的测量值分别设计基于小量近似的线性校正算法和基于参数辨识更新的非线性校正算法;校验两种算法的标定精度,并通过Tukey权重函数改善算法的鲁棒性。仿真结果表明,两种算法校正结果相似,磁场三轴误差可校正至0.5 nT以内,在标量磁强计存在异常值时仍具有较好的校正效果。      

基于可观测度分析和模型预测的空间自标定方法

光纤陀螺以其优点适合空间飞行器定姿要求,但长期在轨飞行必须对光纤陀螺进行自标定。通常采用高维复杂陀螺模型计算实时性误差,而采用舍去状态量的降维模型影响系统定姿精度。针对这一问题,通过星敏感器观测,对高维陀螺模型进行可观测度分析,提出了一种基于模型预测的降维模型,将可观测度较低的状态作为模型误差进行预测估计,保证了系统精度并大大减小了计算量。半物理仿真结果表明此算法精度略高于高维模型自标定方法,计算量仅为高维模型的1/10,显著提高了系统的实时性。     

一种基于虚拟星敏感器的卫星姿态确定方法

对于配置多个星敏感器的卫星,采用常规的定常增益卡尔曼滤波方法进行姿态确定时,存在滤波定常增益矩阵众多、系统复杂的问题,为了简化滤波系统设计,统一定常增益矩阵,提出一种基于虚拟星敏感器的姿态确定方法.给出一种计算量小、适合星载计算机在轨实时计算的星敏感器时间滞后补偿及相对基准标定算法,将星敏感器的输出数据统一到当前星时,同时将星敏感器的测量基准统一.基于单星敏/双星敏的输出数据构造虚拟星敏感器(安装矩阵为单位阵)的输出数据,设计统一的定常增益矩阵进行姿态确定.仿真结果表明,本方法与常规的定常增益卡尔曼滤波方法姿态确定精度相当,从而验证该方法有效,且具有重要的工程应用价值.     

轴对称推力矢量控制伺服机构空间运动解耦研究

针对由发动机摆动喷管矢量控制的两个伺服机构间的牵连效应导致的伺服机构运动耦合问题,提出了一种新型空间解耦计算方法。该方法利用欧拉角描述喷管姿态,通过空间齐次坐标变换矩阵原理对两路喷管伺服机构进行解耦计算,得到了两路伺服机构的伸长量解析解,确保了控制指令的精确,并通过ADAMS虚拟样机仿真验证了该计算方法的正确性。仿真实验结果表明,此计算方法与虚拟样机的仿真结果完全吻合,计算精度高,可以对喷管任意姿态进行运动精确控制。     

基于粒子群寻优的高精度星敏感器在轨标定方法

星敏感器结构设计与安装过程会产生多种误差,主要误差源有星敏感器像平面主点误差、主距误差、倾斜误差与旋转误差,这些误差影响了星敏感器在轨标定的精度。本文根据星敏感器的误差模型,提出了一种高精度的星敏感器在轨标定方法。在已知含有误差的像平面的基础上,构造一个虚拟的像平面。当粒子群优化算法使含有误差的像点投影到虚拟像平面上的坐标与无误差时像点的坐标一致时,再利用Quest解算出三轴姿态角求得两个像平面之间的姿态矩阵,得出两像平面之间的关系。结果表明：星敏感器姿态确定精度较高且比较稳定。这种方法与传统标定方法的优势在于不依靠陀螺信息,原理简单,提高了数据的准确性。     

基于SA*的CE-3巡视器机械臂就位探测任务规划

针对机械臂规划方法无法满足CE-3巡视器成像及探测光照约束、避碰及机械臂位形切换次数等约束的不足,提出一种基于SA^*的月面巡视器机械臂就位探测任务规划算法。该算法在机械臂的工作空间进行搜索,根据星历计算太阳光照以解决光照约束,通过层次包围盒高效准确地进行机械臂碰撞检测以满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,通过相邻运动行为的代价削减保证规划后机械臂位形切换次数最少。最终通过月面巡视器在轨任务结果验证该算法的可行性。     

基于恒星的电离层成像仪在轨几何定标

三轴稳定的地球静止轨道卫星在轨运行期间温度会有周期性变化.其上装载的远紫外电离层成像仪与卫星之间的热应力变化造成机械传递,导致仪器指向与装星时的初始位置发生偏差.恒星在惯性坐标系中的位置保持不变,可以将其作为电离层成像仪在轨几何定标的定标源.本文建立了基于恒星的电离层成像仪在轨几何定标模型,通过拍摄所筛选恒星图像,得出仪器在轨指向相对于初始值的偏离程度,从而提高电离层成像仪的成像几何精度.通过模拟试验,验证了运用此技术进行在轨几何定标的可行性.研究结果可为电离层成像仪常态化自动在轨几何定标奠定基础.      

电动舵机减速器传动特性误差分析与补偿研究

在电动舵机减速器的传动特性测试实验中,由于机械安装,轴承摩擦和电机驱动器非线性等原因造成的测量误差会折算到传动比测量误差中并降低精度。本文以减速器为研究对象,通过动力学方程建立了该系统的数学模型,通过理论分析将机械安装与轴承摩擦作为已知的系统误差,提出一种根据仿真结果获得补偿量,对实测数据进行预处理从而提高传动比测量精度的新方法。计算结果说明此方法能在一定程度上补偿电机驱动器非线性带来的测量误差。     

基于UDKF的非共面陀螺在轨自主标定方法

针对非正交安装陀螺组件在轨标定问题,对已飞行应用的正交安装陀螺组件在轨标定方法进行改进,提出非共面安装陀螺组件在轨自主标定方法.首先建立非共面陀螺定姿误差模型,然后设计UD分解卡尔曼滤波器,用星敏和陀螺测量在轨直接估计陀螺常值漂移,间接估计陀螺安装误差和刻度因子误差.设计滤波器时,为实现测量更新序贯处理,给出测量噪声解...     

“高分五号”全谱段相机可展开定标漫反射板设计

为了对“高分五号”卫星全谱段光谱成像仪的太阳反射谱段辐射性进行长期监测与校正，并针对其谱段范围宽、精度要求高、口径大、使用寿命长等特点与要求，优化设计了可展开的漫反射板进行全光路全视场的辐射定标。定标漫反射板安装在相机光学系统的前端侧面，不影响相机正常成像，在定标时通过驱动机构展开漫反射板到相机前端，根据“高分五号”卫星轨道特点、定标能量要求及相机安装矩阵等设计定标漫反射板展开角度为39°。研制了430mm×430mm大尺寸聚四氟乙烯漫反射板组件以保证在展开时满足全光路全视场的定标，漫反射板在420～2400nm光谱范围内半球反射率高于95%，在相机观测方向BRDF变化优于25%。同时，设计了漫反射板稳定性监视辐射计用于监测漫反射板在轨性能衰减，监测精度15%。在轨定标精度分析为476%，满足指标要求。     

微小推力下小卫星的轨道递推与推力标定

针对采用微小推力进行轨道机动的小卫星,考虑复杂摄动力的基础设计了一种高精度轨道外推和推力在轨标定算法.首先,建立了考虑地球复杂摄动力和微小推力的小卫星轨道动力学模型;然后基于动力学模型,利用变步长龙格库塔算法,设计了对微小推力小卫星进行高精度轨道外推的方法.随后通过无迹卡尔曼滤波器(UKF),设计在轨标定算法,对存在误...     

一种基于指数积公式的空间机械臂自标定方法

为了克服发射过程和在轨极端温度环境对空间机械臂末端位姿精度的影响,提出了一种基于指数积（POE）公式的空间机械臂运动学在轨自标定方法。该方法使用空间机械臂末端双目空间相机和棋盘式标定板测量空间机械臂末端位姿实际值。根据关节旋量理论值和实际值之间的伴随变换关系建立了空间机械臂实际运动学模型,对运动学模型取微分建立了线性化的运动学误差模型,给出了基于最小二乘法的运动学标定模型。进行了7自由度空间机械臂运动学自标定仿真,仿真结果表明运动学标定过程能快速收敛到稳定值,标定后空间机械臂末端位姿精度有明显提高。      

三轴磁传感器正交性校正的矢量校准方法

提出一种基于误差分离的矢量校准法用于三轴感应式磁传感器的正交性校正.建立了正交性校正的矢量校准数学模型，针对校正过程中的安装误差进行误差项分离校正，结合卡尔曼滤波与最小二乘法对模型参数进行求解得到正交性校正矩阵.仿真和实验结果表明，基于矢量校准数学模型的校准方法可行且有效，在输入磁场2.5nT情况下，测量误差由传统方法的0.0962nT减小到0.0019nT.此方法已应用于某星载感应式磁力仪的正交性校正.      

基准星辐射定标的辐射传递链路研究

为进一步提高遥感信息定量化应用水平,提高在轨辐射定标精度和定标频次,提出一种基于基准星的全谱段、全口径在轨绝对辐射定标方法,方法适用于可见近红外谱段;定标传递中辐射基准可溯源至SI(国际单位)。通过比较现有定标方法和基准星辐射定标的优缺点,分析基准星辐射基准溯源特性,建立太阳 基准星 遥感器的辐射传递模型,以高分一号和高分二号卫星为例,其作为待定标遥感器,对基准星定标的约束条件进行仿真分析,得出基准星辐射传递不确定度为13%。仿真结果验证了基准星定标方法的可行性,对遥感器辐射定标精度、频次的进一步提高提供了依据。     

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.     

低温环境下红外辐射标定技术研究

低温环境下红外场景生成装置的标定是对低温红外目标特征评估和精准探测的前提。通过标定过程中热辐射-光子-电子转换测量的传递途径,建立基于红外热像仪灰度的低温标定模型,用最小二乘法进行拟合,得到模型中的辐射出射度响应函数和系统固有偏置。搭建了低温标定实验装置,根据热像仪对低温辐射源不同辐射出射度的测量结果,得到标定方程。分析了理论值和实际测量值的误差,在低温黑体辐射出射度9.79W/m2处,热像仪的辐射出射度误差最大,为-0.17W/m2,此时的灰度误差为-9.91DN。