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.     

基于绝对磁场测量的磁通门磁强计在轨标定方法

卫星在轨进行磁场测绘及监测时,需要高精度的磁场值,但由于磁通门磁强计三轴非正交性以及零点漂移所引起的误差大大降低了磁强计的测量精度,因而有必要对此进行校正.本文利用绝对标量磁强计,采用一种改进的最小二乘标定算法,通过不断迭代实现对磁通门三轴正交性和零点漂移的修正.结果表明,在考虑了磁强计本身噪声水平的实际情况下,磁通门磁强计的误差可由100nT左右修正到0.2nT以内.该算法为卫星在轨高精度磁场测量提供了一种可行的方法.      

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.     

一种重力卫星质心在轨标定算法

针对重力卫星质心在轨标定问题,提出了一种将预测滤波与卡尔曼滤波相结合的标定算法。该算法首先利用磁力矩器产生一个明显大于干扰力矩的周期性力矩作用于卫星上,然后利用陀螺数据实现了卫星角加速度的预测滤波估计,并通过静电加速度计信息设计卡尔曼滤波器,实现卫星质心的标定;最后进行了数学仿真,仿真结果表明该算法针对卫星的角加速度及质心位置能够实时估计,三轴最佳标定精度分别为[0.0628 0.0324 0.0414]mm,实现了卫星质心较为精确的标定。     

基于多重UKF的粗太阳敏感器标定算法研究

针对粗太阳敏感器存在的非余弦特性以及易受空间环境杂光干扰的影响,为了提高粗太阳敏感器的定姿精度,需对其电池片进行标定.通过设计多重UKF(Unscented Kalman Filter)滤波器实现对粗太阳敏感器的定姿标定,将其划分为两类,第一类为标定陀螺漂移,第二类借助陀螺漂移标定结果,进而设计电池片滤波器来精确修正粗太阳敏感器的电池片系数,完成对整个粗太敏电池片的输出数据修正.仿真结果表明,采用多重UKF滤波器算法可有效实现对陀螺和粗太阳敏感器的标定,提高了卫星的姿态确定精度,达到了设计要求.     

三轴一体光纤陀螺高精度标定方法

针对三轴一体光纤陀螺,定义了标定转换模型,理论上分析了标定过程中各项参数之间相互影响以及地球转速影响导致标定精度较低的问题.针对零偏、标度因数和安装误差角提出一种各项分离测试的高精度标定方法,并将此方法实际应用于某三轴一体高精度光纤陀螺捷联系统,得到了陀螺标定结果.对标定结果进行了误差检验测试以及应用标定结果后进行了系统静、动态测试.测试结果表明:经过标定过程后陀螺精度以及系统测试结果均达到了预期性能要求,验证了标定方法的正确性和实用性.     

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。     

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。     

资源三号卫星控制系统概述及在轨验证

资源三号(ZY-3)卫星是一颗民用高分辨率立体测绘卫星.针对ZY-3卫星特点,对控制系统方案进行概述.通过星敏感器相对基准的标定以及星敏感器和陀螺联合滤波实现高精度姿态确定;通过设计结构滤波器和磁卸载力矩的前馈补偿实现三轴高稳定度控制;通过轨迹规划实现大角度侧摆机动.根据卫星在轨运行数据,给出相应指标实现情况,对姿态控制系统的方案和指标满足情况进行在轨验证.     

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。      

基于矢量观测的航天器分段信息融合定姿方法

针对基于MEMS(微机电系统)陀螺和CMOS APS星敏感器的集成惯性/星光姿态确定系统的低精度特点,研究了适用于该定姿系统的基于矢量观测的定姿算法.对于陀螺/星敏感器这种配置模式,有EKF(Extended Kalman Filter)、QUEST、最优REQUEST等几种适用的定姿算法.针对EKF和最优REQUEST算法的不同特点并结合确定性算法QUEST,以四元数为姿态参数,将姿态估计的EKF方法分别与QUEST算法和最优REQUEST算法进行了融合,提出一种分段信息融合的姿态估计器:陀螺漂移估计误差较大时,将EKF与QUEST结合,快速估计出陀螺漂移.当陀螺漂移误差减小到一定程度,再切换为EKF与最优REQUEST算法融合的双重滤波器.仿真比较结果表明,这种分段信息融合的姿态估计器既可以估计姿态参数也可以估计陀螺漂移,并能达到很高的定姿精度.     

Sensor-fault tolerant attitude determination using two-stage estimator

Satellite attitude determination accuracy significantly drops when sensor-fault occurs. Hence, a proper mitigation strategy to detect sensor-fault and accurately estimate corresponding fault magnitudes is mandatory for robust and accurate attitude determination. In this paper, a novel sensor-fault tolerant precise attitude estimator is proposed consisting of two stages. In the first stage, sensor-fault is detected, and the associated sensor parameter change is roughly estimated using an interacting multiple-model (IMM) approach. Subsequently, the second stage is triggered. The sensor parameter change is precisely estimated with a new sensor-parameter-augmented filter. This is defined as a selectively augmented extended Kalman filter (SAEKF) in this paper. The conventional augmented extended Kalman filter (AEKF) is computationally more expensive than the proposed SAEKF. The SAEKF augments only the sensor parameters affected by sensor-faults, not the full sensor parameters, into the state vector. This leads to a significant computational time-saving. A transition method from the first stage to the second stage is also investigated. Numerical simulation results demonstrate that the proposed two-stage approach has smaller attitude determination errors than the existing algorithms, ranged from 21.7% to 88.8%, in cases with gyro scale factor error or misalignment.     

空间陀螺仪显式标定与隐式标定方法

针对航天器陀螺仪误差系数的标定问题,提出了显式与隐式两种标定方法。建立了显式标定与隐式标定方法的状态方程与测量方程,利用扩展Kalman滤波获得了陀螺仪误差系数的高精度估计,同时比较了显式标定与隐式标定的不同,仿真结果表明,在当前参数设置下,显式标定与隐式标定精度基本相同,两种方法得到的误差系数估计相对误差在10%以内,而隐式标定方法实现较为容易,但对航天器姿态测量精度较为敏感。     

间接稳定式光电稳瞄系统误差建模与补偿

为提高间接稳定式光电稳瞄系统的稳定精度,建立了系统的稳定误差模型.研究了基于旋转调制技术的陀螺消噪方法;设计了采用测速发电机和光电码盘组合的测速方法,用以消除码盘的量化噪声;分析了陀螺和摄像机安装偏角与视轴稳定误差之间的关系,提出了基于光电跟踪技术的安装偏角估计方法.实验及仿真结果与理论分析吻合较好.结果表明:对系统进行完整的误差补偿后,采用低精度MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺的间接稳定系统的稳定精度与中等精度光纤陀螺直接稳定系统的稳定精度相当.     

SINS外场系统级标定方法的优化——最佳六位置

静态多位置标定问题,不同位置编排方式会影响辨识精度.针对六位置标定方法,通过建立位置编排与惯组9个误差参数(加速度计零偏、标度因数误差和陀螺零偏)标定精度之间的关系,将惯组位置编排问题转化为Fisher信息矩阵的优化问题,并在A-最优、D-最优和E-最优3个优化指标下,给出了惯组位置编排的最优方案,通过仿真与满足可辨识条件的一组位置编排比较,结果表明最优方案能够提高加速度计零偏和标度因数误差的标定精度.      

基于Unscented四元数粒子滤波的 微小卫星姿态估计

针对基于微小卫星姿态确定系统精度低和噪声存在非高斯分布的情况,研究了适用于该定姿系统的Unscented粒子滤波(UPF,Unscented Particle Filter)算法.UPF方法结合了Unscented卡尔曼滤波(UKF,Unscented Kalman Filter) 与粒子滤波(PF,Particle Filter)的特点,用UKF得到PF的重要采样函数,从而克服了PF没有考虑最新量测信息、 扩展卡尔曼滤波(EKF,Extended Kalman Filter)和UKF只能应用到噪声为高斯分布的不足.以MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺和CMOS APS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensors)星敏感器为姿态敏感器件,将UPF与基于误差四元数的卫星姿态运动学方程结合,构建了UPF定姿滤波器,并用MEMS陀螺采集的随机噪声数据进行了半物理仿真,对其特性进行了分析与比较.仿真比较结果表明:在敏感器精度较差并且系统噪声非高斯分布的情况下,这种基于UPF的姿态估计方法在计算粒子数目相对于PF较少的情况下,可以取得比UKF更好的滤波精度,从而有效地提高了定姿性能.