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.      

基于UPF滤波的微小航天器姿态矩阵估计方法

针对基于惯性-星光姿态确定系统噪声存在非高斯分布的情况,提出了将离散粒子滤波(UPF)方法应用于定姿系统滤波器设计,该方法用离散卡尔曼滤波(UKF)得到粒子滤波的重要采样函数,从而克服扩展卡尔曼滤波(EKF)和UKF只能应用到噪声为高斯分布的不足。文章以微机电系统(MEMS)陀螺和互补性金属氧化物半导体有源像素图像传感器(CMOS APS)星敏感器为姿态敏感器件,选取基于矢量观测的最小参数姿态矩阵估计方法为定姿算法,提出将UPF与最小参数姿态矩阵估计方法结合,设计了一种针对微小航天器的UPF姿态估计器,采用从MEMS陀螺采集的数据进行了半物理仿真并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的姿态估计方法可以取得比EKF和UKF更快的滤波收敛性和更好的滤波精度,有效地提高了定姿性能。     

UPF滤波参数对航天器天文导航性能的影响

对航天器天文导航这种模型非线性、噪声非高斯的系统,离散粒子滤波(UPF)具有比扩展卡尔曼滤波(EKF)、离散卡尔曼滤波(UKF)更高的精度。在基于UPF的航天器天文导航系统中,UPF滤波参数τ,Q和R以及粒子个数和重采样方法是影响系统导航精度的主要因素。文章通过计算机仿真系统研究了上述UPF滤波影响因素对航天器自主天文导航系统性能的影响,并对结果进行了分析。该文可为基于UPF的航天器自主天文导航系统的参数设置提供参考和依据。     

一种用于高动态GPS频率估计的滤波算法

针对常用高动态GPS(Global Positioning System)频率估计算法扩展卡尔曼滤波(EKF,Extended Kalman Filter)的缺陷,提出了一种新的称为简化无迹高斯粒子滤波(SUGPF,Simplified Unscented Gaussian Particle Filter)的算法.SUGPF将卡尔曼滤波(KF,Kalman Filter)、无迹卡尔曼滤波(UKF,Unscented Kalman Filter)与高斯粒子滤波(GPF, Gaussian Particle Filter)三者相结合.在时间更新阶段,用KF的方法更新预测分布;在测量更新阶段,用UKF的方法得到重要采样函数,并用GPF的方法更新后验分布.仿真结果表明:与EKF和UKF相比,SUGPF性能更优越,功能更全面,在高斯与非高斯观测噪声环境下均能取得与GPF类似的良好性能,并且其计算复杂度低于GPF.     

运用信息融合式高阶UKF的微小卫星姿态确定算法

为提高微小卫星微型低成本姿态敏感器的姿态确定精度,基于磁强计/太阳敏感器/陀螺仪的姿态敏感器配置以及无迹卡尔曼滤波方法（Unscented Kalman Filter,UKF）,设计了一种基于高阶UKF算法并且融合磁强计与太阳敏感器观测信息的微小卫星姿态确定算法.为提高系统状态方程非线性函数的一步预测精度,采用基于五阶UT变换的高阶UKF算法,增加了Sigma采样点数量,提高了系统状态预测精度.单一观测向量滤波算法不能同时满足多个不同量纲观测数据,本文提出一种同时利用两个观测向量的信息融合式滤波算法,根据磁强计和太阳敏感器的观测信息,通过卡尔曼滤波原理中的增益计算,分别得出地磁矢量和太阳矢量对应的卡尔曼增益信息.采用高斯概率密度准则进行信息融合,进而完成预测值的修正,得到同时满足磁强计以及太阳敏感器观测需求的四元数估计值,降低了观测误差的影响.仿真分析验证了算法的优越性.      

一种模型误差鲁棒的卫星姿态确定方法

提出一种结合非线性预测滤波和二阶插值滤波实现基于星光/陀螺的高精度姿态确定的新算法.该算法用非线性预测滤波估计模型误差,再对补偿后的模型用高精度的二阶插值滤波来估计姿态参数.解决了在卫星实际运行中难以获得姿态确定系统的精确动力学模型,采用传统EKF(Extended Kalman Filter)将模型误差作为零均值白噪声处理,导致滤波精度降低甚至发散的问题.同时,二阶插值滤波将非线性模型按照二阶近似,无需计算函数偏导数,得到高精度的卫星姿态估计.仿真验证了该方法能有效地实时估计并补偿模型误差,提高了姿态估计的精度,且估计精度受滤波周期的影响不大,从而验证了算法的鲁棒性和有效性.      

基于混沌的改进粒子群优化粒子滤波算法

针对基本粒子滤波(PF)算法存在的粒子退化和重采样引起的粒子多样性丧失,导致粒子样本无法精确表示状态概率密度函数真实分布,提出了一种基于混沌的改进粒子群优化(PSO)粒子滤波算法。通过引入混沌序列产生一组混沌变量,将产生的变量映射到优化变量的区间提高粒子质量,并利用混沌扰动克服粒子群优化局部最优问题。利用单变量非静态增长模型(UNGM)在高斯噪声和非高斯噪声环境下将该算法与基本粒子滤波和粒子群优化粒子滤波(PSO-PF)的性能进行仿真比较。结果表明:该算法的性能在有效粒子数和均方根误差(RMSE)等参数都优于基本粒子滤波和粒子群优化粒子滤波,改善了算法的精度和跟踪性能。      

比例UT变换的一种比例因子自适应选取方法

将比例UT(Unscented Transform)变换应用于一般的采样策略可以解决采样的非局部效应问题,提高UKF(Unscented Kalman Filtering)的估计精度,而比例因子是其中的重要参数。文章提出了一种比例因子的自适应选取方法,将自适应的比例UT变换作用于最小偏度单形采样,并把相应的UKF应用于低轨卫星实时定轨中。仿真结果表明,这种自适应选取参数方法稳定可靠,其相应的UKF定轨精度与最佳的固定比例因子UKF的精度相当。     

基于IRAPF算法的航天器姿态确定

针对航天器姿态确定系统中存在较大初始误差及非线性较强的问题,提出了一种基于改进的正则化辅助粒子滤波（IRAPF）算法的航天器姿态确定方法。该算法将正则粒子滤波（RPF）与辅助粒子滤波（APF）相结合,将快速高斯变换（FGT）方法引入其中以减少计算量提高滤波的收敛速度。算法不仅有效地抑制了粒子退化问题,而且利用最新观测粒子来优化采样,并且在引入FGT后计算量与正则化的辅助粒子滤波相比降低了30%,改善了滤波的实时性。仿真结果表明了滤波的有效性。     

基于SINS/CNS组合导航系统的多模型自适应估计算法

针对单一模型滤波器在未知或不确定的系统参数下适应性较差的问题,提出了一种新的基于多模型自适应估计(multiple model adaptive estimation,MMAE)的滤波方法。该方法利用改进的卡尔曼滤波代替传统的卡尔曼滤波,比如扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)和无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)。EKF和UKF被用来作为多模型自适应估计的子滤波器,从而实现对非线性系统的状态估计。同时,还将该方法应用于基于弹道导弹模型的组合导航中实现了系统仿真。仿真结果表明,与传统的EKF和UKF算法比较,改进的滤波方法可以解决传统模型滤波器适应性差的问题,并提高系统的导航精度。     

Central difference predictive filter for attitude determination with low precision sensors and model errors

Attitude determination is one of the key technologies for Attitude Determination and Control System (ADCS) of a satellite. However, serious model errors may exist which will affect the estimation accuracy of ACDS, especially for a small satellite with low precision sensors. In this paper, a central difference predictive filter (CDPF) is proposed for attitude determination of small satellites with model errors and low precision sensors. The new filter is proposed by introducing the Stirling’s polynomial interpolation formula to extend the traditional predictive filter (PF). It is shown that the proposed filter has higher accuracy for the estimation of system states than the traditional PF. It is known that the unscented Kalman filter (UKF) has also been used in the ADCS of small satellites with low precision sensors. In order to evaluate the performance of the proposed filter, the UKF is also employed to compare it with the CDPF. Numerical simulations show that the proposed CDPF is more effective and robust in dealing with model errors and low precision sensors compared with the UKF or traditional PF.     

混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型

混合式惯导系统作为一种新型惯导系统,具有三轴全姿态物理平台、捷联姿态算法和系统装机自标定等特点。针对以上特点,为提高其导航定位精度,在混合式惯导系统框架角约束方程的基础上,利用姿态四元数代替欧拉角描述混合式惯导系统中三轴物理平台的转动,建立了一种混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型对其进行误差系数标定。针对该模型的特点,对传统的无迹卡尔曼滤波（UKF）算法进行改进,提出了一种基于奇异值分解的四元数无迹卡尔曼滤波（SVD-QUKF）算法进行模型误差系数辨识。仿真和试验结果表明,基于SVD-QUKF算法,四元数连续自标定模型能够以低于1%的相对误差标定出混合式惯导系统所有的误差系数,在标定精度和计算速度上相比基于传统UKF算法的框架角自标定模型都具有一定优势。      

The attitude inversion method of geostationary satellites based on unscented particle filter

The attitude information of geostationary satellites is difficult to be obtained since they are presented in non-resolved images on the ground observation equipment in space object surveillance. In this paper, an attitude inversion method for geostationary satellite based on Unscented Particle Filter (UPF) and ground photometric data is presented. The inversion algorithm based on UPF is proposed aiming at the strong non-linear feature in the photometric data inversion for satellite attitude, which combines the advantage of Unscented Kalman Filter (UKF) and Particle Filter (PF). This update method improves the particle selection based on the idea of UKF to redesign the importance density function. Moreover, it uses the RMS-UKF to partially correct the prediction covariance matrix, which improves the applicability of the attitude inversion method in view of UKF and the particle degradation and dilution of the attitude inversion method based on PF. This paper describes the main principles and steps of algorithm in detail, correctness, accuracy, stability and applicability of the method are verified by simulation experiment and scaling experiment in the end. The results show that the proposed method can effectively solve the problem of particle degradation and depletion in the attitude inversion method on account of PF, and the problem that UKF is not suitable for the strong non-linear attitude inversion. However, the inversion accuracy is obviously superior to UKF and PF, in addition, in the case of the inversion with large attitude error that can inverse the attitude with small particles and high precision.     

月球探测器天文导航的遗传粒子滤波方法

天文导航系统是典型的非线性和噪声非高斯分布的系统.针对传统的扩展卡尔曼滤波不适于非线性和噪声非高斯分布的系统,和一般粒子滤波存在的粒子退化和采样枯竭问题,提出了一种基于遗传算法进行再采样的月球探测器自主天文导航粒子滤波新方法.计算机仿真结果显示了该方法可以有效的克服传统粒子滤波方法的缺点,提高天文导航系统的定位精度.      

基于URD的非线性滤波算法

非线性滤波算法一直是个活跃的研究方向,本文引入数论中的均匀随机设计（URD）,提出了一种URD的非线性滤波算法（URD-KF）,用于处理非线性高斯系统的滤波问题,并从理论上分析了该算法的性能。分析表明,该算法的性能要好于Unscented变换方法。仿真结果也证实了该算法的滤波性能优于UK滤波算法,且在相同滤波性能的前提下,该算法的计算代价要小于PF滤波算法。将该算法应用于Bearing—Only跟踪中,实验结果表明,该算法的性能优于PF。     

基于UKF的姿态无关GPS双差整周模糊度确定

基于运动的GPS双差整周模糊度确定方法需要预先知道载体的姿态,为了消除对姿态的依赖,研究了一种新的整周模糊度确定方法。首先将多天线载波双差相位矢量观测方程转化为标量观测方程,消去了对载体姿态矩阵的依赖。经过短时离线观测,以中心估计算法和协方差白化算法估计和修正双差整周模糊度的近似解及协方差矩阵。再以该近似解和协方差矩阵为初值,由无迹卡尔曼滤波(UKF)实时估计双差整周模糊度的精确解。最后对该方法进行了仿真,仿真结果表明经过离线批处理算法的预处理UKF可准确收敛于真实解,证明了方法的正确和有效性。