基于四元数的偏流角跟踪与条带拼接成像研究

根据小卫星星载相机存在后视角或安装相机摆镜导致相机实际光轴无法与星体主轴平行的状况,为避免用欧拉角时的姿态解算与转序问题,提出了一种基于四元数的卫星偏流角跟踪与条带拼接成像姿态控制方法。用四元数描述卫星姿态,根据相对轨道系目标四元数,绕相机光轴转动偏流角,以此作为成像模式目标四元数,实现绕空间轴的偏流角跟踪控制。给出了姿态规划算法:固定偏置姿态确定偏流角跟踪后的目标姿态和目标角速度,用迭代法提高偏流角控制精度,并在姿态机动过程开始即进行偏流角跟踪,保证姿态机动到位和高精度偏流角跟踪的同时实现。基于内干扰力矩前馈方法设计了姿态机动控制律。以同轨双条带拼接成像为例,给出了成像控制方法:在对日或对地定向基础上,计算偏置目标姿态和目标角速度,并调用姿态机动控制算法;姿态机动到位后,若需当轨完成多目标姿态机动,则用姿态机动控制算法保持姿态偏置飞行和偏流角跟踪控制。数学仿真结果验证了该算法的有效性和高精度。     

空间交会最终逼近段相对位移估计与控制

对航天器交会对接最终逼近段,应用线性Kalman滤波算法,给出相对位移估计算法;将实际位移对标称位移之差作为控制变量,详细阐述4种相对位移控制方法,即相平面控制法、比例加微分（PD）控制法、常推力加冲量机动法和双冲量机动法,并对其性能进行比较。模拟计算结果表明,相对位移估计精度高,4种控制方法均有效,而双冲量机动法所需的速度增量最小,适合交会对接工程应用。     

卫星机动过程成像的姿态规划与控制研究

对有星载相机的卫星机动过程成像的姿态规划与控制进行了研究。为避免目标姿态的任意性产生的控制转序问题,用四元数描述偏流角跟踪控制。从用户角度出发,提出了两种适于机动过程成像的姿态规划模式:一是指定星体相对轨道系摆扫角速度,通过设定摆扫方向与卫星飞行方向成任意角度,可实现任意方向摆扫成像,另一是指定成像点经纬度条带,可实现海岸线等地面目标成像。在摆扫规划姿态的基础上,将绕相机光轴转过经迭代计算的偏流角作为最终的姿态控制基准,给出了高动态姿态机动控制算法。引入陀螺角速度信息以提高滚动姿态机动过程中的动态特性;将星体当前姿态与目标姿态偏差四元数作为姿态控制基准以实现任意姿态最短路径机动;以飞轮作为姿态控制执行机构,设计PD控制律,在机动过程中对内干扰力矩进行前馈控制。仿真结果验证了所提算法的有效性和工程可操作性,可用于对地成像小卫星机动过程成像的姿态规划与控制。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

弹载SINS四元数模约束下滤波空中对准

针对弹载SINS/GPS系统的空中对准,提出一种四元数模约束条件下的非线性滤波初始对准算法。首先,利用坐标变换和四元数姿态描述,将传统的强非线性滤波对准问题转化为一个二阶弱非线性滤波问题;其次,采用二阶扩展卡尔曼滤波（EKF）对二阶非线性部分进行处理,得到一种简洁的滤波对准方案;最后,推导了四元数模约束条件下滤波算法的最优实现,及反馈四元数估计结果时的闭环滤波形式。利用车载MEMS IMU/GPS系统,进行了初始对准的地面试验,结果表明,在车辆弱机动条件下,对准算法能够实现姿态和惯性器件误差的快速估计,实现惯导系统的对准。     

基于高阶滑模变结构的挠性航天器大角度姿态机动控制研究

考虑转动惯量不确定性和外界干扰条件下,对基于高阶滑模变结构的挠性航天器大角度姿态机动控制进行了研究。用四元数描述航天器的姿态运动学方程,为消除一阶滑模变结构控制律中因符号函数切换产生的高频抖振,用超螺旋算法设计了二阶滑模变结构控制器。超螺旋算法包括控制律的不连续时间导数和滑模变量的连续函数两部分,保证滑模相对阶次为2,无需滑模变量的时间导数信息,用连续的超螺旋控制律替代符号函数的切换部分,实现了二阶滑模变结构控制。仿真结果表明:算法对姿态机动控制力矩抖振的抑制作用明显,在相同的扰动和转动惯量不确定性条件下,基于超螺旋算法的二阶滑模变结构控制对挠性附件的振动抑制能力更强,抗干扰能力和鲁棒性更优。     

在轨服务的超近距离姿轨联合控制研究

对面向在轨服务的超近距离姿态轨道联合控制设计进行了研究。建立基于相对四元数的相对姿态运动动力学模型和基于相对运动轨迹设计的相对轨道动力学模型,考虑模型中姿态与轨道耦合,设计四元数反馈非线性控制律和具姿态反馈信息的最优实时闭环反馈控制律。数学仿真和半物理仿真试验结果验证了算法的有效性和可行性。     

航天器姿态机动的拟欧拉角反馈控制

本文采用四元数法给出了航天器姿态机动的动力学模型，通过引入一种拟欧拉角，根据最优控制理论建立了一种姿态反馈开关控制逻辑，并对闭环系统的稳定性进行了分析。仿真结果验证了所述方法的有效性。     

大机动飞行情况下姿态控制系统的设计

本文针对目前战术导弹广泛使用捷联系统这个现状,以及对大机动飞行器采用姿态角误差反馈进行控制有时出现的奇异问题,提出并研究了基于四元数进行大机动战术导弹姿态控制系统的设计问题.首先,给出了大机动飞行情况下基于四元数描述的弹体动力学模型,然后,基于非线性控制系统综合方法设计了姿态控制系统,并验证了系统的稳定性.研究结果表明,基于四元数进行姿态控制系统的设计,既解决了姿态角表示法存在的奇异性问题,又可减少捷联计算机的计算量,对战术导弹具有重要实际意义.最后,通过数值仿真验证了本文提出方法的有效性.     

一种用于快速跟踪视线的空间拦截器姿态控制方法

以空间拦截器的纵轴在中、末制导段要求指向目标的视线，按最小空间角距旋转，作为跟踪目标的姿态定向的假想坐标系，形成本体坐标系相对假想坐标系的误差四元数。由拦截器的转动角速度分量与误差四元数作为状态反馈构造稳态姿态控制的数学模型。为了得到姿态控制所需的变控制力矩，运用PWPF调制器对常值推力姿控发动机的稳态和脉冲工作状态进行调制，构造所谓的“数字变力矩”控制器，实现对姿态的连续控制。仿真计算结果表明，该方法是实际可行的。     

GEO非合作目标超近距相对位姿视觉测量

提出一种基于几何特征综合匹配的双目超近距相对位姿视觉测量方法。首先,将失效卫星的矩形太阳帆板作为几何特征,采用综合匹配方法实现了双目图像的高精度匹配,随后基于几何特征指标参数判别和ROI检测方法,实现了卫星太阳帆板特征点组的识别与提取,在此基础上,进一步建立了目标坐标系,通过三维重建完成了超近距阶段失效卫星的相对位姿高精度解算。最后建立了高精度双目视觉超近距相对测量实验系统,结合所提出的综合匹配算法和相对位姿解算方法,完成了动态非合作目标的相对位姿测量实验,实验结果说明所提出的方法具有较好的实时性和较高的精度。     

双体卫星对日定向姿态机动控制

研究了双体卫星(DFP)对日定向姿态机动控制问题。首先分析双体卫星工作机理,建立载荷舱与平台舱姿态模型,推导磁浮机构线圈和磁钢相对距离的数学表达式。提出基于PD控制的载荷舱对日姿态机动、平台舱姿态跟踪以及两舱避碰等控制策略。在此基础上,为提高平台舱姿态跟踪速度,设计反步控制器对平台舱飞轮的动态特性进行补偿。进一步,为提高两舱协同控制性能,对传统PD控制进行改进,提出基于变增益PD控制的载荷舱姿态机动控制律,将两舱相对姿态信息包含在载荷舱对日姿态机动控制律中,有效降低了两舱碰撞风险,提高了两舱姿态机动速度。仿真结果表明,本文控制算法能有效实现双体卫星对日定向,且能避免两舱碰撞。     

Relative position and attitude estimation of spacecrafts based on dual quaternion for rendezvous and docking

The capacity to acquire the relative position and attitude information between the chaser and the target satellites in real time is one of the necessary prerequisites for the successful implementation of autonomous rendezvous and docking. This paper addresses a vision based relative position and attitude estimation algorithm for the final phase of spacecraft rendezvous and docking. By assuming that the images of feature points on the target satellite lie within the convex regions, the estimation of the relative position and attitude is converted into solving a convex optimization problem in which the dual quaternion method is employed to represent the rotational and translational transformation between the chaser body frame and the target body frame. Due to the point-to-region correspondence instead of the point-to-point correspondence is used, the proposed estimation algorithm shows good performance in robustness which is verified through computer simulations.     

非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法

空间机器人与非合作大目标交会接近最终段,单目相机不能获取完整的特征图像而无法完成相对位姿测量。针对此问题,提出基于线结构光和单目视觉的相对位姿测量方法。以非合作大目标上的局部矩形特征为测量对象,首先,建立相对位姿测量模型并给出四个测量坐标系之间的关系;其次,通过相机对不完整矩形和线结构光的约束获得四个特征点在相机坐标系下的坐标;然后,利用四个特征点计算相机坐标系与目标坐标系之间的转移矩阵;最后,将转移矩阵分解得到矩形特征的相对位姿。通过改变影响测量精度的输入误差和标定误差等因素对该方法进行仿真验证,结果表明该测量方法是有效的。     

采用单目视觉的非合作目标星状态估计

针对微小卫星逼近观测未知的空间翻滚非合作目标星任务，提出一种基于单目视觉的目标星相对状态估计方法。在建立追踪星/目标星相对运动模型的基础上，以单目相机识别并测量获得的目标星固有特征的像素位置为观测输入，通过扩展卡尔曼滤波算法实现对目标星相对位置、相对速度、相对姿态、角速度、惯量比和特征位置等状态的估计。仿真结果表明,该方法能够很好地实现对未知非合作目标星的相对状态估计，姿态估计误差小于2°，位置估计误差小于0.1 m，特征点位置平均估计误差小于0.04 m。     

基于预测滤波的卫星交会对接相对位姿确定方法

基于视频制导系统提供的视线测量,引入一种高精度、高鲁棒性的、实时的预测滤波算法,建立系统的误差模型,对角速度和位移速度进行一步预测,从而精确地估计卫星的相对位置和相对姿态。此外提出修正方案,通过卡尔曼增益对相对姿态和相对位移进行修正和更新,估计性能得到改进优化。通过卫星交会对接仿真实验验证算法的有效性,结果表明,预测滤波算法高精确估计相对姿态和相对位置,修正后算法得到了更高的精度结果,满足卫星交会对接要求,对在轨实验有重要参考价值。     

Image based control of the “PINOCCHIO” experimental free flying platform

A free floating platform is realized with a pneumatic suspension system which enables a two-dimensional test of complex space operations, such as rendezvous and docking. The platform is equipped with a IMU and actuated via cold gas thrusters. In addition, an on-board camera is used to acquire a target and its image is processed for evaluating the control actions needed to reach it. A technique for determining the relative position and velocity with respect to target using the same visual device is proposed and realized. The novel algorithms and relevant experimental results are presented. The tested accuracy of the relative navigation system is not very high, but the guidance algorithm, which is image based and has just a weak dependence on the position information, is robust enough to perform a successful maneuver. The error between the final acquired target image and the desired final target image is of the order of one pixel, notwithstanding all the testbed disturbances.     

基于Rodrigues参数的视觉相对位姿确定算法

以Rodrigues参数作为姿态描述参数提出了一种视觉相对位姿确定算法。Rodrigues参 数作为一种简洁、高效的姿态描述法,适用于实时性要求高的视觉相对位姿确定,但它本身 的奇异性使其不能用于大角度的位姿确定。将视觉导航方法和无奇异姿态描述的Rodrig ues参数切换理论结合起来,推导了基于Rodrigues参数的视觉相对位姿解算模型,并给出了 这种相对位姿确定算法的流程。仿真结果表明该算法能很好地解决奇异问题,实现全姿态运 动情形下的相对位姿确定。
     

Three-axis attitude determination using incomplete vector observations

Attitude determination refers to determining the orientation of a vehicle relative to its reference coordinate system. This paper presents a new algorithm for three-axis attitude determination using measurement vectors composed of incomplete vector components. The attitude determination performance of the proposed algorithm is compared with those of the TRIAD and QUEST algorithms in a simulation.     

对空间碎片的相对位姿估计

针对几何、质量特性参数均未知的空间碎片,提出一种基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的相对位姿估计算法。该算法以单目相机获得的目标图像特征视线信息作为测量输入,以目标姿态、姿态角速度、惯量比、相对位置、相对速度和特征位置作为滤波状态。对算法进行可观性分析,给出两个可以保证算法可观性的条件。分别针对不同条件进行数值仿真,仿真结果表明新算法能够对几何和质量参数未知的空间碎片进行有效的相对位姿 估计。