陀螺与星敏感器组合定姿及陀螺漂移估计

研究基于PI滤波估计陀螺角速率漂移的陀螺与星敏感器组合定姿算法,首先推导了陀螺角速率漂移与姿态偏差四元数之间的关系,并基于姿态偏差四元数和PI滤波估计陀螺角速率漂移;接着给出了分别基于J2000惯性系和轨道坐标系的星敏感器与陀螺组合定姿算法和姿态偏差四元数求解方法;最后进行了工程应用方式分析和仿真验证。本文基于PI滤波的组合定姿算法简单,易于工程实现,并已通过在轨考核验证。     

基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述及算法研究

针对编队飞行微小卫星,突破轨道姿态分而治之的传统模式,利用对偶四元数,提出了主从星间的相对位置和姿态统一描述方法,建立了对偶四元数卫星编队运动学模型。该方法区别于描述刚体纯旋转变换的四元数方法,将主从星的本体系之间坐标变换的旋转和平移过程进行融合、统一,并具有非常简洁的形式。同时,给出了求解模型的算法,解算出主从星间的相对位置和姿态。仿真结果表明该模型及算法科学合理,能够满足编队飞行的测控要求。     

基于星敏感器/陀螺组合的一种半确定性卫星定姿方法

针对星敏感器/陀螺典型卫星姿态确定系统配置,考虑确定性方法的离散性及状态估计法对模型准确程度的依赖性,提出了一种半确定性姿态确定方法.以四元数为姿态描述参数,用基于Taylor展开近似的线性回归修正陀螺预报的姿态,并用修正的姿态信息反推出陀螺漂移量.仿真结果表明:该算法实现简单,无需实时递推滤波器增益阵,计算速度快,定姿性能较佳,可有效提高陀螺的姿态预报精度.     

基于四元数的UKF多传感器卫星姿态确定

对采用磁强计和太阳敏感器的卫星姿态模型,应用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法确定卫星姿态。由四元数描述姿态,在算法中将其转换成旋转矢量,另设计了四元数求均值的迭代算法,解决了四元数在UKF算法中的处理。仿真结果表明:广义卡尔曼滤波(EKF)算法对初值依赖性较大,UKF算法不受初值影响且精度高于EKF,具快速性、精度高和稳定性强等优点。     

基于GPS及其与磁强计组合的姿态确定算法研究

提出了一种组合敏感器定姿算法，针对卫星上同时装备有磁强计与全球卫星定位系统（GPS）的情况，利用两者的测量信息，在卡尔曼滤波算法的基础上，对两者信息融合定姿算法进行了设计和仿真，旨在提高卫星自主定姿精度和可靠性，结果表明，组合定姿算法使姿态确定的精度得到提高。     

小卫星多传感器融合滤波定姿算法

虽然扩展卡尔曼滤波被成功应用于许多非线性系统,但由于其对高阶项的截断误差等因素,其用于小卫星多传感器定姿系统时性能受到限制。针对上述问题,本文提出了一种将扩展卡尔曼滤波器与两步滤波器相结合的方法。利用Gibss矢量做姿态参数,避免了四元数在进行迭代时的归一化约束。以太阳敏感器、星敏感器、MEMS陀螺、磁强计为敏感器件,通过仿真,将本文算法与扩展卡尔曼滤波器进行了对比。结果说明,本文算法能将最大稳态定姿误差降低4.4×10-30。     

基于地磁场测量估计卫星姿态的UKF算法

提出了利用UKF（Unscented Kalman Filter）处理地磁场测量数据进行低轨道（LEO）卫星自主定姿的算法。通过使用估计姿态、轨道参数和国际地磁场参考（IGRF）计算得到的地磁矢量与三轴磁强计（TAM）的测量矢量之差作为更新信息，可以实现实时的姿态角和角速度估计。针对卫星稳态定姿、大角度快速机动的定姿以及姿态失控状态下的定姿等三种任务，分别用UKF和传统的EKF（Extended Kalman Filter）进行了数值仿真。仿真结果显示出本文提出的定姿算法的优越性。     

卫星多敏感器组合姿态确定系统中的信息融合方法研究

针对卫星陀螺，红外地平仪，太阳敏感器，GPS接收机组合姿态确定系统的特点，提出一种基于联邦卡尔曼滤波算法的信息融合方法，其中信息分配系数通过计算协方差矩阵的迹在线自适应确定。推导了由四元素描述的卫星姿态误差状态方程和各子系统的测量方程。仿真分析结果表明采用该信息融合算法可以提高定姿精度，有效抑制滤波发散，并使整个系统的运算速度和收敛速度都有所提高。     

一种基于线性伪量测方程的无陀螺姿态确定方法

基于一种新型的四元数伪量测模型,给出了一种无陀螺卫星姿态确定算法.该滤波算法不需要对量测方程作线性化近似,能够有效提高大姿态角情况下的姿态确定性能.并通过引入强跟踪性,使算法获得了更高的收敛性.仿真结果表明,算法能够有效的提高无陀螺卫星在初始消旋、三轴稳定等工况下的姿态估计收敛速度,并能够实现高速旋转工况下的姿态跟踪.该算法具有简明的线性结构,计算负担符合实时要求,结构简单,对硬件配置要求不高,尤其适用于低成本的微小卫星.     

捷联惯性导航、制导系统中方向余弦矩阵的递推算法

数十年来，四元数及其解法成功地应用于捷联惯性导航和制导系统中，成为经典的算法。它定义了从导航坐标系到飞行器体坐标系的四元数，然后给出四元数更新方程，再根据实时确定的四元数求出体系到导航坐标系的方向余弦矩阵，以便将测得的体系的视速度增量转换到导航系。从制导和导航角度看，上述方向余弦矩阵是必不可少的，而四元数却是中间变量，因此，本文跨越了四元数及其算法，根据方向余弦矩阵微分方程直接导出方向余弦矩阵的更新递推公式。数学仿真表明该算法的精度与四元数算法接近，但它具有更容易理解、计算量小、编程简单等优点，可以代替四元数方法。     

GPS自主定姿定轨技术在新一代大型静止轨道卫星上的应用

GPS技术是航天工程中具有发展前途的关键技术，是卫星自主定姿定轨高效经济的方法。新一代大型静止轨道卫星（即地球同步轨道静止卫星）上采用GPS自主定姿定轨技术能使卫星定姿定轨技术上一个新台阶。本文着重分析研究了新一代大型静止轨道卫星平台上采用GPS自主定姿定轨技术的可行性。     

基于低成本MEMS传感器的皮卫星融合定姿算法研究

基于低成本低精度的MEMS陀螺、太阳敏感器、磁强计组合,设计了Unscented Kalman融合滤波算法.同时考虑到可能的故障模式,提出了仅依赖磁强计的备份滤波算法.在姿态参数选取上,采用修正罗德师里德参数来描述卫星姿态,降低了滤波器的维数,避免了采用四元数时解算状态误差协方差参数的奇异.利用MEMS陀螺采集的随机噪声数据进行半物理仿真,仿真结果表明:该融合算法能有效对卫星姿态进行实时估计,在个别敏感器失效的情况下,同样能实现较高的精度,满足普通任务的要求.该算法具有工程实现意义,是对低精度MEMS敏感器在低成本皮卫星上应用的有益探索.     

基于时变比例系数的陀螺仪/星敏感器组合定姿方法研究

为提高卫星定姿精度,对一种基于时变比例系数的陀螺仪/星敏器组合定姿方法进行了研究。采用扩展卡尔曼滤波(EKF)方法进行组合定姿。针对传统EKF的估计误差稳态值存在波动的问题,基于陀螺仪误差模型分析,对传统陀螺仪误差模型进行改进,将观测性较好的四元数误差引入陀螺仪误差模型。为提高稳态精度并尽量缩短收敛时间,用时变比例系数对四元数误差进行加权,在滤波初期选择相对较小的比例系数以弱化比例系数对滤波的影响,使滤波器较快收敛,之后逐渐加大比例系数以提高稳态精度。给出了决定时变比例系数相关参数的确定方法,以及改进滤波器的设计及其控制原理。仿真结果表明:与传统陀螺仪和有固定比例系数的两种误差模型相比,所建立的陀螺仪误差模型能以相对较少的收敛时间,减小估计误差稳态值波动,有效提高姿态角估计精度。     

陀螺与磁强计组合定姿及漂移估计算法优化

针对陀螺长时间积分定姿精度受陀螺角速率漂移影响,单独利用磁强计不能连续确定三轴姿态的问题,提出了陀螺与磁强计组合定姿算法,利用磁强计估计的姿态误差校正陀螺积分姿态,并基于PI滤波估计陀螺漂移。仿真验证表明,基于陀螺与磁强计组合定姿的姿态确定精度为1°左右。陀螺与磁强计PI滤波组合定姿算法简单有效,适合在纳星、皮星等微小卫星上应用。     

基于GPS的多基线姿态系统研究

在QUEST算法的基础上,提出了非单位向量前提下的四元数估计算法。该算法考虑了基线长度对精度的影响,将其应用于自制的GPS多基线姿态系统,计算载体的姿态角,验证系统及算法的精度。通过两次实验结果对比表明:该套GPS姿态系统具有较高的精度,非单位向量的四元数估计算法计算精度明显高于TRIAD算法。     

陀螺与磁强计组合定姿及工程应用分析

基于卫星运动学建立状态方程,并设计了适合于星上应用的陀螺与磁强计组合定姿算法,仿真试验结果表明工程应用精度1°左右.     

无陀螺卫星姿态的二阶插值非线性滤波估计

采用四元数作为姿态描述参数，提出了一种确定无陀螺卫星姿态的新方法，即二阶插值非线性姿态估计算法，它能够利用星敏感器提供的矢量观测信息准确地估计三轴稳定卫星的姿态。这种姿态估计算法的实现非常简单，其运算量与传统的扩展卡尔曼滤波姿态估计算法相当，但滤波性能却与基于二阶泰勒级数近似得到的非线性姿态估计算法一致。而且，在二阶插值非线性姿态估计算法中，不会遇到由四元数正交约束所造成的协方差阵奇异性问题。     

利用双星系统确定载体姿态研究

提出一种基于优化方法的双星定姿算法 ,将载波相位观测作了适当的变形 ,得到适用于基于向量观测的姿态确定算法的问题形式 ,然后采用QUEST算法求解姿态。深入分析了定姿方差和基线布局对定姿精度的影响。计算机仿真结果表明 ,分析的理论定姿精度与统计定姿精度吻合 ,说明了算法的可行性 ,对于实际应用具有一定的指导意义。     

基于GPS相位法对舰船等大型载体定姿中的模糊数求解方法

本文讨论采用四天线GPS载波相位接收机对舰船等大型载体的定姿方案，提出用数据平滑与空间几何约束相结合的方法来解决快速确定定姿方程中模糊数的难题。提高了定姿成功率，并通过实测数据进行了验证及精度分析。     

FY-2气象卫星在轨管理工程测控关键技术(下)

当不考虑卫星章动角时，由式(5)，(6)算出的结果应相同。其中，弦宽测量值更能真实反映卫星实际姿态，故在实际应用中，可以此为标准检查定姿结果。若用定姿结果计算出的θ1与弦宽实测值计算结果一致，则该姿态可信，否则重新定姿。根据实际在轨管理经验，自旋卫星定姿结果有较大的随机性，这一方法可提供一种较有效的检验手段。