弹道飞行器自由飞行轨道的解析解法

本文提出了弹道式飞行器自由飞行轨道的解析解法。首先,在一个特殊的非正交的绝对坐标系中建立了运动微分方程,其中考虑了具有一阶扁率系数的地球引力场模型,然后导出运动方程的解析解。其解的精度与所用地球引力场模型的精度是一致的。应用本文给出公式,只需给定发射惯性坐标系或地面发射坐标系中关机点或以后任一点参数,便可解析地求出其后任一点的轨道参数(飞行器在惯性空间中的位置矢量、速度矢量或相对于地球的位置矢量和速度矢量)。并附有若干计算结果,表明解析解法具有较高的精度。     

采用双目视觉的非合作空间目标相对导航与惯性参数辨识方法

针对面向在轨服务的非合作空间目标测量感知问题,提出了一种基于双目视觉的相对导航与惯性参数辨识方法。利用目标表面的特征点建立几何坐标系,并分别设计了姿态测量和相对导航滤波器,实现了目标姿态、角速度、轨道,质心位置与惯量比的高精度估计。在此基础上,通过黏附卫星与非合作目标形成组合体,利用相对导航算法获得的质心位置和惯量比在黏附前后的变化,实现了目标质量和转动惯量的辨识。数值仿真试验证明了算法的有效性。     

对日观测卫星无陀螺姿态确定算法研究

研究了两种无陀螺姿态确定算法:Kalman滤波算法和二阶差分算法。基于某对日观测卫星,将“陀螺 太阳导行镜”组合Kalman滤波算法与以上两种无陀螺定姿算法进行了仿真比较。结果表明,Kalman滤波算法和二阶差分算法均能较好地实现对日观测卫星三轴姿态角和姿态角速度的估计。     

基于磁强计卫星初始入轨速率阻尼控制

对三轴稳定对地定向卫星初始入轨基于磁强计的速率阻尼控制进行了研究。当在小采样时间间隔条件下 ,地磁场矢量在惯性坐标系下的变化可以忽略 ,采用磁强计连续测量地球磁场获得姿态数据 ,通过推广卡尔曼滤波建立了较完整和准确的姿态估计器模型。设计了喷气推力器控制规律 ,通过数学仿真表明本文提出的算法能够替代陀螺对卫星初始入轨的姿态进行速率阻尼 ,满足卫星控制精度要求     

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。     

矢量观测确定卫星姿态的预测粒子滤波算法

在矢量观测的基础上,针对单独的星敏感器定姿,提出了一种将粒子滤波(PF)和预测滤波相结合的姿态确定算法,通过设计粒子初始化,结合重要性采样、重采样和规则化等手段,成功地将姿态四元数作为状态粒子进行更新和传递,避免了状态方程的线性化和协方差矩阵的计算;利用预测滤波算法估计模型误差和姿态角速度,在保证滤波精度的同时,有效降低了粒子滤波器的维数.实验在某对地观测通用小卫星平台上进行,选取卫星自由飞行状态和飞轮控制对地稳定模式,分别对滤波器进行了仿真,实验结果验证了该算法对本质非线性、非高斯的卫星姿态估计问题具有快速的收敛性能和良好的稳定精度.该方法还为粒子滤波器的设计和无角速度敏感器测量的飞行器姿态确定提供了借鉴.     

基于模型误差确定卫星姿态的预测滤波算法

本文给出了一种高精度、鲁棒性强的实时姿态估计算法，即预测滤波算法。该算法利用星敏感器所提供的观测矢量，对运动学方程中由陀螺漂移造成的角速度模型误差进行一步预测，从而准确地估计卫星的运动姿态和角速度。预测滤波算法的良好性能已通过仿真测试得到了验证。文中进一步提出的修正算法，使滤波器的预测性能得到了改进。     

未知纬度下基于四元数解算的SINS对准方法

针对未知纬度下SINS对准问题,提出了一种基于旋转四元数地轴矢量解算的对准方法。该方法以惯性系下重力矢量连续观测为基础,构建以地轴矢量为旋转轴的旋转矢量序列,利用QUEST算法求解旋转四元数实现对地轴矢量的优化解算,并根据空间关系建立导航系轴向矢量的惯性系投影,最后利用陀螺跟踪载体系相对惯性系的变化,确定载体系相对导航系的姿态关系。仿真实验表明基于四元数解算的对准方法相对于传统的两步对准方法及几何解析对准方法,在对准精度与算法稳定性上都表现出较强的优越性,工程适用性较强。     

非零初末角速度约束下的卫星实时姿态机动规划

针对存在初末角速度非零约束的卫星姿态机动任务,提出了一种基于旋转分解的实时解析规划算法。该方法通过将卫星三维旋转分解为多个绕固定轴的一维欧拉旋转,使非线性规划问题转换为多个一维空间上的线性规划问题,再将各个线性规划的结果通过四元数运算融合为最终的姿态机动规划结果。与过去针对此类问题经常采用的非线性规划方法相比,该规划算法可以通过解析的形式给出,因此不需要通过多次数值迭代得到可行解,运算量少,可以实时进行计算,适合实际在轨应用。     

近地轨道卫星的地影预报算法

针对传统地影预报算法计算量大,不适合星载计算机进行地影时刻自主预报的问题,提出一种地影预报星上算法。通过构造降维坐标系将卫星进出地影过程转换为“星-地-日”平面内的几何问题;基于常数变易法推导出阴影条件的隐式解析公式,其方程系数可由实时轨道参数确定。为简化计算,将星上算法设计为双层结构：构造迭代算法,依据实时轨道参数可精确预报卫星在每个节点上的地影时刻;而在任意两个节点之间采用解析算法进行近似预报。仿真结果表明,星上算法的预报精度高且计算量小,适合星载计算机进行地影时刻自主预报。     

基于地轴矢量解算的SINS无纬度支持自对准方法

针对无纬度条件下SINS初始对准问题,提出了一种基于地轴矢量解算的对准方法。在静止基座下,利用陀螺仪敏感地轴矢量,直接建立导航系轴向矢量在载体系的正交投影,解析式确定姿态矩阵;晃动基座条件下,根据惯性系重力矢量观测,构建以地轴矢量为旋转轴的两组等角旋转矢量序列,利用QUEST算法求解旋转四元数实现对地轴矢量的优化解算,并以此建立导航系轴向矢量的载体惯性系投影,最后利用陀螺跟踪载体系相对惯性系的变化,确定载体系相对导航系的姿态关系。静止基座解算实验表明直接解析式对准与传统的解析式对准精度相当,但解算效率得到了提高;晃动基座仿真与船载实验均表明基于四元数的地轴矢量优化解算在精度上要优于三矢量几何解算方法,引入低通滤波环节后,对准精度进一步提高。     

天基光学空间监视指向策略研究

针对如何提高天基光学监视对GEO目标的观测效率,开展了天基光学监视指向策略的研究.首先,对比分析了适合GEO带观测的几种天基光学监视轨道,并选择太阳同步晨昏轨道作为天基光学GEO目标观测轨道;其次,为充分利用光照条件并避免地影对GEO观测造成影响,分析了影响最佳指向角的2个因素——太阳矢量、轨道面法线矢量在地心惯性坐标...     

解析计算在月球中继卫星Halo轨道设计中的应用

面向月球中继卫星工程轨道设计需求,研究解析计算方法在地月系L2点halo轨道设计中的应用问题。在讨论圆型限制性三体问题三阶解析近似计算方法的基础上,分析了解析计算与数值计算的差异,给出了解析近似计算在工程约束下的适用范围,进而提出了基于解析计算的轨道设计和特征筛选方法。分别采用解析初值和数值初值进行halo轨道外推,比对验证采用解析计算设计轨道的可行性。研究结果表明,解析计算方法适用于月球中继卫星轨道的初步设计、特征分析和构型筛选。     

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。     

卫星偏流角的矢量计算方法研究

对一种近地圆轨道遥感卫星偏流角的矢量计算方法进行了研究。基于考虑地球自转时偏流角的定义和相关坐标系,将计算偏流角用的速度矢量分解为数个速度的矢量和,由坐标系转换关系,根据卫星地面物点定位信息确定其相对速度,推导出卫星本体坐标系中偏流角的计算公式。算法的基本运算无需求导,可有效避免求导过程中牵连速度计算,具有模型准确、计算简便、结果精确、物理意义清晰、排查错误容易等优点。在不同三轴姿态角、载荷视物前向角和侧向角条件下进行了数学仿真计算,结果发现计算结果与偏流角定义相符,卫星偏流角随星下点地理纬度和纬度幅角的变化分别为封闭类圆和1/2周期的类正弦曲线,而视物前向角、侧向角,滚动角,俯仰角对偏流角的影响较小。该计算方法已用于高分五号(GF-5)卫星的星上偏流角计算软件。     

抗干扰重力加速度积分粗对准算法

针对强角运动和线振动干扰下捷联惯导无法根据陀螺和加速度计的输出直接计算姿态阵的问题,提出了抗干扰重力加速度积分解析粗对准算法。该算法利用陀螺跟踪载体在惯性空间的角运动,利用重力加速度矢量在惯性空间投影的积分作为参考矢量进行对准以隔离角运动干扰的影响。根据参考矢量的时域特性,采用最小二乘算法对包含线振动干扰的参考矢量进行拟合,利用拟合结果进行姿态矩阵解算以抑制线振动干扰的影响。仿真结果表明,该算法既具有角运动干扰隔离能力,又具有线振动干扰抑制能力,能在强角运动和线振动干扰同时存在的条件下迅速完成粗对准。
     

机动卫星星座对多区域目标成像任务规划

针对太阳同步圆轨道卫星星座对地观测任务,研究了在卫星机动情况下对多区域目标的成像任务规划算法.首先提出了单颗卫星对单个点目标的观测方法,解析分析了点目标可见性,并给出了卫星变轨策略;进而通过把区域目标划分为多个条带,将问题转化为卫星对点目标观测问题,结合单星单目标观测方法分析区域目标各条带的可见性;最后建立优化问题模型...     

利用磁强计数据确定卫星三轴姿态的方法

针对低轨、低精度、低费用的小卫星，本文研究了仅依靠磁强计的测量数据，通过卡尔曼滤得到三轴的姿态角和角速度的算法，其次，提出了一整套验证该算法的方法，并用MATLAB完成了数值仿真。     

一种重力测量卫星质心在轨标定改进算法

针对重力测量卫星质心在轨标定算法中存在的陀螺精度不高且易失效的问题,提出了一种应用星敏感器和静电加速度计的质心标定改进算法。在该算法中,将一个明显大于干扰力矩的周期性磁力矩,作用于卫星上;将星敏感器观测量代入预测滤波器中,估计卫星的角速度及角加速度;利用静电加速度计信息设计扩展卡尔曼滤波,从而实现卫星质心的标定。数学仿真结果表明:此算法能够对卫星的角速度及质心位置进行实时估计,卫星质心三轴最佳标定精度均优于0.05mm,可实现陀螺失效情况下卫星质心较为精确的标定。     

一种卫星对地观测需求分析方法

针对卫星对地观测任务需求分析方法研究的复杂性和迫切需要,文章通过把文本化的卫星观测需求编码成数值向量的形式,提出需求之间的相似度度量方法。进而基于无监督学习的相关理论和算法,给出向量化表示的需求聚类算法。同时为了能在二维平面直观展示分析高维需求数据,在引入需求之间距离计算方法的基础上介绍了高维数据的降维算法,并且通过测试数据验证了算法的有效性和可行性。通过把繁杂的需求信息转换成高维空间向量,能大大降低分析人员对领域专业知识的依赖,提升需求分析的效率和科学性。