基于UKF算法的航天器自主导航研究

针对卫星上配备的多种姿态敏感器，进行了导航方案的设计，利用姿态敏感器的测量信息实现轨道参数的估计。通过UKF(Unscented Kalman Filter)算法研究了卫星的自主导航问题，较传统的扩展卡尔曼滤波方法(EKF)简化了计算过程。数值仿真结果验证了该导航算法的优越性。     

地球敏感器月球自主干扰保护异常分析及对策

针对某同步三轴稳定卫星地球敏感器自主干扰保护异常的问题,分析了地球敏感器受月球干扰的机理,详细比较了地面与星载月球干扰预报算法,挖掘比对了星载干扰保护软件数据,通过分析遥测数据及事后地面仿真计算软件处理验证,对异常点进行了准确定位,得出了星载月球干扰预报算法的局限性会导致卫星自主干扰保护异常的结论。并在此基础上,提出了在轨卫星地球敏感器受月球干扰自主保护异常时的处置对策,对后续同平台卫星相关设计提出了修改建议。     

GEO卫星地敏自主干扰保护失效实时处置方法

地球同步轨道卫星在每年春分、秋分前后25d左右一般会出现地敏探头太阳干扰,可以采用星上自主方式进行地敏干扰保护,以防御此种干扰的影响。星上自主干扰保护失效时,需要通过地面发送卫星遥控指令处置。由于当前GEO(Geostationary Earth Orbit,地球同步轨道)卫星地球敏感器自主干扰保护失效的实时处置占用遥控平台时间过长,会严重影响卫星有效载荷应用。所以,针对此问题,在地敏确定卫星姿态原理的基础上,分析了地敏自主干扰保护失效的机理,提出了基于软件进程的地敏太阳干扰保护流程和操作计划,设计了基于遥控指令序列的卫星实时判断脚本。经验证,此方法可将遥控平台占用时间从4h缩短至30min以内,为卫星有效载荷应用留出了时间窗口。     

月面巡视探测器组合导航定位系统研究

月面巡视探测器自主导航定位能力是在月面进行巡视和探测的关键,而基于捷联系统（INS）、太阳敏感器和里程计（OD）的组合导航定位技术是实现月面自主导航的较理想的技术方案。研究了由微机械捷联系统、COMS数字式太阳敏感器和码盘式里程计组成的组合导航定位系统,采用卡尔曼滤波算法进行信息融合,并对样机进行了火山灰场地的实地测试,验证了设计方案的可行性和组合导航系统精度。     

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。     

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。     

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。     

地球敏感器探头失效的日月干扰保护方法研究

由于GEO卫星空间轨道的特点,红外地球敏感器一定时期会受到来自太阳和月亮的红外干扰辐射。一般情况下,星上可以自主保护受干扰的探头;但当某地敏探头失效时,星上将无法自动进行保护。针对该问题,提出地敏探头失效下的星上自主姿态控制和地面姿态控制2种地敏管理方法,着重研充了地面姿态控制的2种日月干扰保护方法。目前,地面姿态控制方法已应用于在轨运行的GEO三轴卫星,并取得了良好的控制效果。     

基于星敏感器的姿态确定算法研究

为实现惯性/天文组合导航,提高导航精度,本文研究了基于星敏感器的天文导航姿态确定原理,在理论上推导了用于载体姿态解算的TRIAD算法、最小二乘算法、Eular-q算法和QUEST算法,并通过仿真和实验对以上四种算法进行了比较。仿真和实验结果表明,QUEST算法在四种算法中具有解算精度高而运算速度快的优点。由仿真和实验可知,绕星敏感器光轴方向的姿态解算误差大,这可为惯性/天文组合导航系统的方案设计提供指导。     

基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航

面向星座卫星高精度自主导航技术需求,设计了一种融合X射线脉冲星和星间定向观测信息的组合导航方法。通过X射线探测器获得脉冲到达时间观测量,照相观测星相机和星间链路设备获得星间相对位置矢量观测量,设计导航滤波器对观测量进行处理,估计参与导航的星座卫星的运动状态。针对地球星历误差影响组合导航性能的问题,将地球相对于太阳系质心的位置扩充为状态向量,设计了扩维扩展卡尔曼滤波器,利用敏感器观测量对导航所需的地球位置矢量进行实时估计,从而削弱地球星历误差的影响。进而,针对滤波器参数选取影响状态估计精度的问题,设计了一种Q学习扩展卡尔曼滤波器（QLEKF）,主要思路是利用Q学习方法的决策能力,自适应地选择适当的滤波器参数以改善估计性能。数学仿真结果表明,所提方法能够有效减小地球星历误差对星座自主导航的影响,取得优于传统滤波算法的定位精度。     

惯性卫星紧组合导航系统自主完好性算法研究

为保证组合导航系统运行的可靠性和输出导航参数的准确性,结合组合导航系统的自主完好性检测的基本算法,基于气压高度辅助下的卫星导航接收机最小二乘检测法和组合导航卡尔曼卡方检验法,提出了一种能够识别突变故障和缓变故障的组合导航系统自主完好性检测的算法,充分利用导航系统中高精度惯导系统的导航信息,实现了组合导航系统的自主完好性检测算法,提高了组合导航系统在复杂环境下的导航信息可靠性。     

地球卫星星光折射导航量测量及其性能对比

星光折射天文导航是一种重要的地球卫星自主导航方式,量测量是影响其导航精度的重要因素。在地球卫星星光折射导航中,折射视高度、星光折射角、折射星像素坐标（折射星矢量）是3种常用的量测量,结合星光折射导航的基本原理重点介绍了这3种量测量的获取方法和量测模型,通过仿真和可观性分析比较了相同条件下3种量测量的导航性能。仿真结果表明,由于折射星像素坐标可以同时反映星光折射的大小和方向可观性高,而星光折射角和折射视高度仅能反映星光折射的大小,无法反映其方向可观性低,因此折射星像素坐标的导航性能优于星光折射角和折射视高度。此外,本文也对星敏感器精度、卫星轨道高度、星敏感器安装夹角3种因素对3种方法导航性能的影响进行了分析。     

An autonomous celestial navigation method for LEO satellite based on unscented Kalman filter and information fusion

A reliable and secure navigation system and assured autonomous capability of satellite are in high demand in case of emergencies in space. Celestial navigation is a fully autonomous navigation method for satellite. To near earth satellite, the earth direction is the most important measurement and the horizon sensing accuracy is the most important factor which effects celestial navigation accuracy. According to the mode of acquiring horizon measurement, satellite celestial navigation methods can be broadly classified into two approaches: directly sensing horizon using earth sensor and indirectly sensing horizon by observation of starlight atmospheric refraction. For these two methods are complementary to each other, a new Unscented Kalman Filter (UKF) based information fusion method is proposed here for hybriding them. Compared to the traditional celestial navigation method, this method can provide better navigation performance and higher reliability. The hardware-in-loop test results demonstrate the feasibility and effectiveness of this method, in most cases the accuracy is sufficient for near earth civilian satellite and moreover it can be used as a backup system to provide redundancy.     

SINS/BD紧组合导航系统故障检测算法研究与实现

由于惯性导航系统和卫星导航系统具有良好的互补性与北斗导航系统的迅速发展,惯性/卫星紧组合导航系统得到广泛应用。但卫星导航系统的时变、易受干扰等特性,极易污染整个组合导航系统。因此,研究了一种新型的惯性/北斗紧组合导航系统的故障检测算法,在传统的卡方故障检测算法基础上,利用新息动态变化特性来识别故障星,并对故障星进行隔离,从而保证整个导航系统的稳定性与精度。最后基于嵌入式PC104平台,利用Qt Creator软件开发了多线程惯性/北斗紧组合导航系统,对所研究的算法进行了可靠验证。实验结果表明,所研究的故障检测算法能够有效地检测出卫星信号故障,能及时剔除故障星,大大降低了漏检、错检的概率,提高了整个导航系统的可靠性与精度。     

发展单兵星敏导航装备的必要性及技术特点

星光导航不受电磁干扰、能提供绝对姿态信息，具有重大战略意义。目前的星敏主要是为空天基导航而发展的，将其应用于单兵导航是否必要、需克服哪些技术难点、能达到怎样的效果等，都是值得探索的问题。为此，首先论述了发展单兵星敏导航装备的必要性，包括：不受电磁干扰破坏，是其他单兵导航装备失效时的保底装备；定向精度高，能弥补单兵卫星导航装备无法定向的缺陷；已突破部分气象因素限制，具备了全天时导航条件等。然后探讨了单兵星敏导航与空天基星敏导航、卫星导航、天文大地测量等比较所具有的不同技术特点。提出了发展单兵星敏导航装备需解决的关键技术问题，包括：气象因素影响的消减、时间基准和电源的长期维持、系统探测性能与系统小型化的平衡等。研究结果可为发展单兵星敏导航技术、设计研制单兵星敏导航系统提供参考。     

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.     

An algorithm for astro-inertial navigation using CCD star sensors

A self-contained suite of astro-inertial navigation system is capable of autonomous mission and is operationally reliable. The typical astronavigation system (ANS) makes use of star-trackers, which are expensive and complex. To make the system cost effective and less complex, the star-tracker is replaced by a charge coupled device (CCD)-based star sensor, rigidly mounted on a strapdown inertial measurement unit (SIMU) of the system. This electro-optical star sensor is compact and easy to use with an ANS that utilizes efficient star identification techniques. This paper designs an algorithm that estimates axes misalignment angles of strapdown inertial navigation system (SINS) that makes stars' observations utilizing a CCD star sensor. Mathematical modeling of the suggested scheme was carried out and transformations between different frames were exercised. From the image projection geometry, stars' right ascensions and declinations, relative to the body frame, were estimated. Lastly, from the known stars' position vectors in mathematical platform and reference frames, axes misalignment matrix representing SINS attitude errors can be estimated employing the derived relationship.     

低轨微纳卫星全磁自主导航算法研究

针对低轨微纳卫星体积小、功耗低的设计约束,提出了基于低轨地磁的定轨/定姿全磁自主导航算法.该算法仅利用三轴磁强计测量值和卫星动力学方程建立Kalman滤波器,实现了低轨微纳卫星的全自主轨道确定和姿态测量,理论仿真结果表明,该全磁导航算法精度能够满足低轨微纳卫星的一般要求.利用高精度地磁模拟器搭建了微纳卫星全磁自主导航地面仿真验证系统,对算法进行了全物理仿真测试和实验误差分析,进一步验证了全磁自主导航算法的可行性,为低轨微纳卫星提供了一种低成本、高自主、高可靠性的导航方法.     

星敏感器安装误差标定技术研究

星敏感器是一类具有自主高精度姿态测量能力的仪器,输出姿态精度可达到角秒级。但实际组合导航应用中,星敏感器安装误差往往可达角分级,远远大于仪器本身误差,影响其使用品质,因此有必要在使用前对星敏感器安装误差进行建模标定。研究发现,星敏感器安装误差与惯导姿态误差存在耦合关系,难于分离。设计了一种快速标定方法,利用惯导输出姿态、位置信息以及星敏感器姿态输出构造观测量,建立卡尔曼滤波模型,通过滤波估计实现安装误差的地面标定。仿真结果表明,载体需要进行2个轴向上的机动才能将星敏感器三轴安装误差估计出来。相较于依靠外部基准姿态进行标定的方案,本方法具有快速高效、可操作性强等优点。