卫星姿态的几何确定方法初探

利用卫星模拟遥测数据确定的卫星姿态是卫星发射中的重要参数。从几何姿态确定原理入手,研究如何利用遥测信息确定自旋卫星的姿态,列写了卫星周期、自旋角速度、两面角及太阳角的计算公式,分九种情况列写了卫星姿态的计算方法及公式,并对文中方法在海上测控任务中的应用情况进行了分析。     

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。     

挠性双自旋卫星的姿态稳定判据

本文建立了挠性双自旋卫星的姿态稳定性判据。挠性双自旋卫星由半刚性平台、转子以及固连于平台的挠性附件组成,选择由姿态角和模态坐标表示的系统的相对能量函数为Liapunov函数,由此建立的姿态稳定判据由两个部分组成,即忽略附件弹性运动时,半刚性双自旋卫星的姿态稳定条件和附件振动频率所应满足的条件。文中还给出了具体的应用例子。     

自旋稳定静止卫星同步技术分析

自旋稳定静止卫星中,有许多控制和功能必须和卫星自旋同步,如天线消旋、姿态和轨道控制以及其它包括有效载荷在内的功能控制等,要求的同步精度往往差别很大,一般是在mr～μr量级。为了实现这种功能,自旋稳定卫星必须建立一个与卫星自旋相位同步的角度钟,然后在要求的角度上产生各种同步控制信号。本文描述同步原理和主要组成,重点讨论以地球为基准的同步方式和以太阳为基准的同步方式。介绍在星上小回路同步和星地大回路同步两种方案,分析不同方案的特点和能达到的精度。在以太阳为基准的同步中,给出卫星、地球、太阳的动态关系(角)及在同步中的修正方法。     

科学双星自旋轴姿态漂移的仿真分析

以科学双星计划中两个自旋稳定的小卫星为背景,介绍了在双星运行轨道所受到的空间干扰力矩情况;建立数学模型,对无控条件下自旋卫星的姿态漂移情况进行数学仿真分析,并与实测结果进行比对。     

考虑月球扁率修正的月球卫星自主导航

针对月球扁率对月球紫外敏感器的月心方向矢量确定的不利影响,研究了月球紫外敏感器的测量原理和敏感到月平边缘时满足的几何约束,提出了一种考虑月球扁率的月心矢量确定方法。并进一步的结合地球敏感器和太阳敏感器的测量信息,研究了基于日地月方位信息的月球卫星自主轨道算法,并评估了月球方位确定算法对导航精度的影响。仿真结果表明,在太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器的精度分别为0.02°(3σ)、 0.05°(3σ) 和0.1°(3σ)的假设下,考虑月球扁率修正的月球卫星的自主导航位置精度能达到300m(3σ),导航速度误差能达到0.6m/s(3σ), 从而保证了环月卫星的导航精度。     

基于太阳电池板与磁强计的小卫星姿态确定算法研究

直接将太阳电池板电流作为量测量进行姿态确定，不仅可观性不高，也不利于计算量的减少。分析了利用太阳电池板测姿的原理；以立方体微小卫星为例，分析了由多个太阳电池板电流估计太阳矢量的问题，提出了受限最小二乘法。将所估计的太阳矢量与磁强计输出结合，进行双矢量定姿滤波。利用软件STK（Satellite Tool Kit）数据对算法进行了仿真，与直接将太阳电池板电流作为量测值的算法进行了对比。结果表明：该算法有效地提高了定姿性能。     

倾斜轨道对地指向小卫星对日跟踪姿态控制算法

固定安装太阳电池阵形式的对地指向小卫星,运行在倾斜轨道时太阳电池阵光照条件恶劣,限制了小卫星的应用。文章研究了对地指向小卫星姿态跟踪控制,提出了控制算法。首先,对太阳电池阵法线和太阳方向矢量进行分析,得到最优的偏航角、偏航角速度和偏航角加速度。然后,基于卫星姿态动力学给出了3个互相垂直安装的反作用飞轮控制律,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的渐近稳定性。以某小卫星为例,对控制算法进行验证,结果表明:文章提出的控制算法具有很好的实用性,控制律有效,能达到太阳电池阵跟踪太阳的效果。     

斜装匀速对日驱动的卫星太阳电池阵入射角计算方法

某遥感卫星在轨长期工作时姿态处于斜飞状态,受总体构型布局约束,卫星双翼太阳电池阵相对星体倾斜安装;为降低对姿态稳定度的影响,太阳电池阵在轨采用匀速对日定向驱动的工作方式。针对上述特点,提出了一种太阳电池阵入射角的计算方法,考虑了卫星姿态斜飞、偏航导引、地球J_2项摄动、地影影响等因素,采用坐标变换方法,将太阳矢量和太阳电池阵法线矢量转换到同一坐标系下,计算两者方向余弦,进而得到太阳电池阵入射角。选取一年4个典型时间点给出了算例,计算结果与安装在卫星太阳翼上的模拟式太阳敏感器在轨实测结果进行了比较,验证了该计算方法的有效性和精度。     

一种确定自旋卫星姿态的新方法

提出了一种在自旋稳定卫星自旋轴与几何体轴重合或几乎重合时只利用太阳角计算自旋卫星姿态的方法。给出了方法的原理及适用范围。研究表明：定姿精度仅与太敏测量精度有关,减小了传统方法中太敏与地敏两项测量误差产生的误差,方法原理简单、精度高。由实际卫星数据的长期验证可知：方法能在卫星自旋轴与实际几何轴偏差较小时实现快速定姿,定姿结果满足要求。     

考虑太阳帆板指向的编队卫星相对姿态跟踪控制

编队飞行一种应用是受控卫星对目标卫星跟飞或者绕飞,有效载荷指向目标卫星以执行各种任务。研究了太阳帆板固定的卫星姿态控制,在保证有效载荷始终指向目标卫星的前提下,使得太阳帆板尽可能朝向太阳。给出了太阳帆板法线与太阳光夹角最小的几何条件。采用四元数状态反馈的控制律实现了姿态跟踪,仿真结果检验了控制律有效性及太阳帆板朝向太阳的效果。     

ZN3火箭姿态测量用太阳角计

本文给出了用于ＺＮ３火箭姿态测量太阳角计的原理和测量结果，讨论了背景抑制和标定方法，分析了误差来源。该仪器采用选取适当探测波段和比值测量方法较好地消除了地外太阳辐照和大气消光的影响，也有效地抑制了背景辐射的干扰，大大提高了测量精度。实测结果表明，火箭姿态角测量的均方根误差约为０．７°。这一方法适用于各种自旋稳定飞行器的姿态测量。     

卫星应急模式姿态动力学仿真

对卫星在应急模式下进行姿态动力学数值仿真。考虑重力梯度和太阳光压,太阳帆板两面反射率的不同,以及存在阴影区情况,建立开环状态下精确的卫星姿态动力学方程。通过对某型号卫星四十种故障模式的数值仿真,发现其姿态在相当长的时间内不会发散失稳;重力梯度力矩和太阳光压力矩都是微量,在相当长的时间内对姿态变化起主要作用是飞轮卡死时卫星的姿态角和角速度;制动飞轮的卡死时间对对卫星姿态有显著影响,卡死时间越短,卫星姿态变化越明显。     

基于UKF的微小卫星姿态确定方法研究

围绕某日-地空间环境组网探测系统中三轴稳定微小卫星定姿分系统的设计需求,基于陀螺、太阳敏感器、磁强计和星敏感器4种敏感器,研究了微小卫星在速率阻尼模式、太阳捕获模式、对日对地定向及维持模式、试验模式下的系统建模方法,以及基于Unscented卡尔曼滤波(UKF)的组合定姿方法。数值仿真结果表明,本文定姿方法的姿态确定精度满足该系统中三轴稳定微小卫星在轨运行的定姿精度要求,为该微小卫星半物理仿真系统的研究及其在轨运行时的姿态确定提供了依据。     

地球同步自旋稳定卫星的姿态确定方法及其微机实现

本文系作者根据航天部中国空间技术研究院和意大利国家研究委员会联合研究“卫星飞行动力学系统”课题的协议与意大利有关专家共同在微机上完成的自旋稳定地球同步卫星姿态确定的研究工作。文中提出了适用于不同轨道几何条件的六种确定性姿态确定模型。首先用批量最小二乘法统计确定卫星姿态,估计出系统误差,然后从实际量测中消去所估计出的系统误差,最后用修正过的数据按确定性姿态确定方法定出卫星姿态。文中给出了姿态确定方法的微机实现程序。仿真结果证明,本方法与大型机IBM 3081上取得的结果完全相同。     

基于盒粒子滤波的低成本皮纳卫星高效姿态确定算法

针对低成本皮纳卫星姿态确定系统在质量、体积、计算量以及能耗等方面的限制问题,本文基于区间分析理论提出了卫星姿态区间化描述方法并建立了运动学区间化方程,提出了基于盒粒子滤波(BPF)的皮纳卫星姿态确定算法。该算法首先采用双矢量算法对太阳敏感器和磁强计得到的量测进行姿态解算,并将解算出的姿态四元数作为伪量测值输入传递给BPF,从而降低敏感器噪声对估计精度的影响。仿真实验表明,相比于传统粒子滤波的姿态确定算法,本文所提出的BPF姿态确定算法能够在保证姿态确定精度的同时大幅缩短算法运行时间。     

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。     

基于修正罗德里格参数的小卫星SSUKF姿态确定

用无陀螺的三轴稳定偏置动量小卫星三轴磁强计和太阳敏感器获得观测矢量,提出了一种基于超球面分布采样Unscented变换滤波(SSUKF)和修正罗德里格参数(MRPs)的姿态估计方法,给出了算法模型.SSUKF在保证滤波性能的基础上减少了采样点个数,减轻了星载计算机的负载;用MRPs描述小卫星姿态大幅减少了计算量.某小卫星的仿真结果表明:算法兼顾了精度、收敛速度和鲁棒性,且提高了计算效率,适于小卫星.     

卫星光通信中耦合运动对光信号跟踪影响分析

光通信终端与卫星平台的耦合运动是影响卫星光通信系统光信号跟踪性能的重要因素。以铱星系统星间链路为例,建立了卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动的数学模型,并进行了数值仿真。理论分析及仿真结果表明:卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动使系统粗跟踪误差增大,方位轴、俯仰轴最大误差分别为94μrad和98μrad,超过精瞄系统补偿范围。为确保星间激光链路通信性能,提出了光束粗跟踪控制补偿算法,并进行了相应的仿真实验,仿真结果表明:补偿后的控制算法将方位轴、俯仰轴最大跟踪误差降低为37μrad和41μrad,符合精瞄系统补偿要求,保证了系统跟踪性能。该结果对今后小卫星星座激光组网具有一定的指导意义。     

在轨跟踪与数据中继卫星测控关键技术(下)

(续上期)6星蚀地影、月影分别发生于地球和月球遮挡太阳到卫星的光线时。地影固定出现在太阳运行到赤道附近的每年春、秋分前后约23 d的凌晨,1年有90 d多。地影发生的时刻和持续时间与卫星的定点位置、轨道倾角有关。月影的出现与卫星位置有关,但无明显规律。6.1 TDRS地影根据地球-卫星-太阳的相对位置(如图7所示),设TDRS在距地心为r的点PT处,它与地日连线对地心的张角φ=arccosST·SS|ST|×|SS|,(21)式中:SS为O-XIYIZI系中太阳矢量。图7地球-卫星-太阳相对位置Fig.7 Position relationship among the sun,the earth and a sate…