基于模糊卡尔曼滤波的内阻尼姿态算法研究

在系统机动性不强的情况下，传统的平台内阻尼算法将系统本身的速度信息通过阻尼网络加到系统中，达到提高姿态角精度的目的。将这种平台内阻尼的思想引入到捷联惯性航姿系统中，在系统加速度较小的情况下，利用加速度计的输出估计系统姿态角，通过卡尔曼滤波的形式补偿系统姿态误差。由于加速度的大小直接影响滤波器精度，本文设计了模糊自适应卡尔曼滤波算法，根据三轴加速度计的输出调整内阻尼量测误差方差阵，从而避免了滤波器的发散。仿真和实验验证，内阻尼算法可明显抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡，避免了系统姿态漂移，有效提高了捷联惯性航姿系统的精度。     

航天器环境干扰力矩的闭环辨识与补偿

研究引入干扰力矩辨识的方法提高三轴稳定航天器在稳态运行期间的高精度指向控制问题.基于航天器的稳态输出数据和系统传递函数,对环境干扰力矩的完整模型进行闭环辨识.其中采用改进的特征系统实现相关算法和多元线性回归法辨识环境干扰力矩的模型参数,最后使用前馈控制对所辨识的环境干扰力矩实现在线补偿.分析和仿真结果表明,该方案能有效地克服不确定的环境干扰力矩对姿态稳定度的影响,提高在轨运行航天器的姿态稳定精度.     

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。
     

一种基于Madgwick-EKF融合算法的卫星姿态测量方法

针对低地球轨道卫星姿态测量时,传感器易受噪声干扰、陀螺仪漂移等问题,提出一种基于Madgwick扩展卡尔曼滤波合算法(EKF)的卫星姿态测量方法。该方法采用陀螺仪、加速度计、磁强计等多传感器数据进行融合,并结合Madgwick算法和EKF算法的优点,实现姿态测量。首先,通过Madgwick算法,利用多个传感器测量数据计算初始姿态。然后,基于初始姿态和实际测量数据,应用EKF算法进行数据融合和噪声滤除,以获得最终准确的姿态估计。实验结果表明:相较Madgwick算法,本算法在测量精度上提升了65.8%,且具有较高的鲁棒性,为低地球轨道卫星姿态测量提供了一种有效的方案。     

船载惯性测量单元姿态信息优化方法

随着海洋卫星通信技术的广泛应用，船载通信系统的需求量与日俱增。基于微电子系统的惯性测量单元主要用于测量船体姿态信息，实现姿态反馈与控制补偿，是船载卫星通信设备的核心器件。实际应用中通过卡尔曼滤波处理的惯性测量单元的姿态信息并不完善，经过分析惯性测量单元在运动过程中存在干扰性的有害加速度。分析了有害加速度的产生原因和对测量姿态的影响并提出姿态信息的优化方法。通过此优化方法可提升惯性测量单元的测量精度，增强船载通信系统的控制精度。     

充液挠性航天器姿态机动控制的多目标优化

针对充液挠性航天器姿态快速机动、快速稳定的控制要求,为减小姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发,设计了一种基于正弦型加加速度的姿态机动路径规划方法。为进一步提高姿态控制性能,提出了一种基于云多目标粒子群算法的姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法。以最小化充液挠性航天器三轴姿态达到指定指向精度的时间以及三轴姿态稳定度,构建多目标优化模型,并应用云多目标粒子群算法求取姿态控制器参数和机动路径参数的Pareto最优解。仿真结果表明:采用多目标联合优化算法得到的控制器与路径参数,能够有效减小液体晃动和挠性附件振动,显著提高充液挠性航天器大角度姿态机动的快速性和稳定性。     

利用特征结构指定隔离卫星滚动偏航陀螺故障的新方法

对于卫星滚动轴陀螺和偏航轴陀螺的故障隔离,给出了一种新的方法。利用姿态运动学的关系建立关联卫星各个敏感器输出信息的系统,对于这个系统设计隔离观测器,使不同陀螺的故障在残差空间的不同方向定向,达到故障隔离的目的。文中给出了隔离观测器存在的一个充分条件和求解步骤。最后的数学仿真表明这种方法能够有效地隔离滚动陀螺和偏航陀螺故障。     

旋转调制下的抗晃动干扰初始对准方法

针对晃动基座下的对准精度受限于惯性器件常值误差，提出了旋转调制下的抗晃动干扰初始对准方法。首先，分析了单轴连续旋转调制技术对常值误差的补偿机理，并在此基础上建立了晃动基座下的惯性器件输出模型;其次，详细推导了基于双重积分的惯性系粗对准算法，通过惯性坐标系下的姿态更新跟踪载体实际姿态变化消除了角晃动干扰，通过对比力进行双重积分克服了线振动影响;最后，在粗对准算法基础上，进一步建立了旋转调制下的系统状态方程和量测方程，通过反馈校正的卡尔曼滤波算法实现最优估计精对准。仿真结果表明:旋转调制下的抗晃动对准方法在克服晃动干扰的同时，能够解决对准精度受限问题，有效提高了初始对准精度。     

高精度惯性平台误差自标定方法

在考虑框架轴、陀螺和加速度表安装误差的备件下，推导了惯性平台陀螺仪和加速度表的通用输出误差模型。为分离陀螺仪误差系数、加速度表误差系数、陀螺仪安装误差、加速度表安装误差，设计了一个16位置的标定方案，以完整地分离出惯性平台的42项误差系数。算例表明，采用该方法标定，陀螺误差系数的精度可优于5％，加速度表则更高。     

扩频信号快捕算法硬件设计与实现

为提高扩频信号捕获门限及伪码相位捕获准确度 ,在多通道并行捕获技术的基础上介绍块匹配算法和单点多次平滑算法两种相关峰检测方法 ,并在以 FPGA和 DSP为核心的单板系统上实现。其中单点多次平滑算法已应用于工程实际中的软件数据处理算法。实践表明 ,该方法有效地提高了检测门限 2 d B。在 FPGA数字电路设计实现中 ,提出了多个并行捕获通道共用一个载波 NCO,一个伪码 NCO及伪码产生器的方法 ,大大节省了硬件资源 ,在规模为 1.6万门的 FPGA芯片内共设计码并行快捕通道 12 8个。     

带大惯量运动部件卫星姿态高精度复合控制研究

对有大惯量运动部件的三轴稳定卫星在稳态运行期间高精度高稳定度控制方法进行了研究。提出了一种卫星姿态高精度动态补偿控制算法:先基于卫星姿态动力学模型与卫星有效载荷运动部件摆动规律,设计了姿态稳定反馈控制律和补偿摆动部件干扰力矩的前馈控制器,用前馈-反馈控制的复合控制算法,消除运动部件摆动对卫星姿态控制系统产生干扰力矩的负面影响;再用干扰观测器修正因通信延迟造成的补偿残余力矩,设计了扰动观测器对前馈补偿残余力矩进行辨识,进一步补偿修正残余力矩,以保证控制系统的性能指标。仿真结果表明:该法能有效补偿干扰力矩并提高控制精度,实现的卫星姿态控制精度优于0.005°。     

微小型捷联惯性测量单元标定及补偿方法

在MIMU(微小型惯性测量单元)角速度及加速度通道误差数学模型的基础上,提出一种利用三轴速率转台的MIMU快速高精度标定补偿方法,介绍了各参数的测量原理及误差系数的计算公式,得出了相应的误差数学模型及修正算法。利用三轴转台进行姿态运动试验,试验结果表明,补偿后系统捷联惯性导航解算的三方位姿态误差小于1.5度。该标定补偿方法对提高MIMU的工作精度具有现实意义及工程适用价值。
     

捷联式惯性导航积分算法设计（连载）上篇：姿态计算

本论文分上下两篇，给用于现代捷联惯导系统的主要软件算法设计提供一个严密的综合方法：将角速率积分成姿态角，将加速度变换或积分成速度以及将速度积分成位置。该算法是用两速修正法构成的，而两速修正法是具有一定创新程度的新颖算法，是为姿态修正而开发出来的，在姿态修正中，以中速运用精密解析方程去正积分参数（姿态，速度或位置），其输入是由在参数修正（姿态锥化修正，速度遥橹修正以及高分辨率位置螺旋修正）时间间隔内计算运动角速度和加速度的高速算法提供的，该设计方法考虑了通过捷联系统惯性传感器对角速度或比力加速度所进行的测量以及用于姿态其准和矢量速度积分的导航系旋转问题。本论文上篇定义了捷联惯导积分函数的总体设计要求，并开发出了用于姿态修正算法的方向余弦法和四元数法，下篇着重讨论速度和位置积分算法的设计。尽管上下两篇讨论中常常涉及到基本的惯性导航概念。然而，本论文是为那些已对基础惯导概念很熟悉的实际工作者而写的。     

基于偏振光的导航定姿自适应滤波算法

针对小型无人机三维空间内姿态解算问题,基于惯性测量单元与偏振光传感器组成的航姿参考系统,提出了一种自适应滤波姿态估计算法。在常规互补滤波算法基础上,为解决实际飞行过程中存在的运动加速度干扰以及天空中水汽分布异常等问题,建立了相应的自适应调节框架结构。实验结果表明:提出的算法能有效抑制外界干扰因素对姿态解算精度的影响,提高了偏振光组合导航系统的稳定性与可靠性,增强了系统对外界复杂因素的抗干扰能力。     

脉冲干扰条件下雷达自适应恒虚警算法及其体系结构

本文提出一种用于信号处理的新型并行算法以及带有自适应检测后积累（API）的恒虚警（CFAR）处理器的并行systolic结构。这种处理器用于脉冲干扰条件下雷达对小型机载目标回波的单个距离分辨率单元中的有效目标检测。这种算法的主要特征是在进行噪声水平估计前能自动地确定并删除二维参考窗口及检测单元中受脉冲干扰污损的不希望的样本。通过这种方法可将脉冲干扰环境对自适应门限处理的影响减至最低程度。对这种目标控制自满的统计分析表明，即便在脉冲干扰的功率与频率都非常高的情况下，信噪比损失也微乎其微。设计了CFAR API的Systolic结构。Systolic结构的基本微量尺度为处理器单元的数目、计算时间及实时实现所需的加速度。     

模糊超球神经网络辅助组合导航融合算法

研究了应用线性网络对组合导航多传感器信息进行融合的方法,在此基础上提出了一种神经网络组合导航容错算法。该算法将局部滤波器状态估计的模糊超球隶属函数引入网络,在线调整融合网络权值,实现全局估计的自适应性和容错性。仿真表明,该融合算法有较高的估计精度,在传感器故障时,能够及时检测出并在融合网络中予以隔离,不致影响全局估计。     

基于自适应采样滤波器的临近空间飞行器姿态确定

为提高临近空间飞行器的姿态估计精度和稳定性,研究了捷联惯性导航系统与星敏感器组合定姿方法和滤波融合算法.首先给出了临近空间飞行器的高精度姿态确定方案及其模型,然后针对一般采样型滤波器自适应能力有限的缺点,推导了一种能在线自适应估计过程噪声和量测噪声协方差阵的自适应采样滤波算法,该算法融合了自适应估计和非线性滤波各自的优点,不仅能对姿态确定系统的非线性滤波问题进行高精度估计,而且估计结果具有较强的鲁棒性,最后进行了仿真实验.实验结果表明本文方法达到10角秒的定姿精度,其滤波精度和稳定性均满足临近空间飞行器的定姿要求.     

预警卫星前馈复合控制研究

预警卫星在轨工作期间,星载扫描相机将对关注区域进行南北往复扫描,凝视相机对发现的目标进行跟踪探测。文章以美国天基红外系统为背景,研究了相机扫描运动对星体产生干扰力矩作用下的姿态稳定控制问题,在星体反馈控制基础上增加了相机扰动的前馈补偿控制。针对扰动力矩大于执行机构最大输出力矩的问题,基于动量矩守恒定律,设计了用于补偿相机扰动力矩的前馈控制器,实现了卫星姿态的反馈控制加前馈补偿的复合控制方法。仿真结果表明该方法能够较有效地抑制相机运动引起的姿态扰动。     

微小卫星轨道姿态一体化确定算法研究

突破卫星轨道和姿态参数分别确定的传统模式,提出了以三轴磁强计和太阳敏感器为测量元件的轨道姿态一体化确定算法.由于地磁场是时间和位置的函数,而三轴磁强计指向又与卫星姿态相关,所以三轴磁强计的测量值既与轨道有关,又与姿态有关.充分利用磁强计和太阳敏感器的测量值中包含的轨道和姿态信息,推导出卫星轨道姿态一体化确定的扩展卡尔曼滤波算法.在太阳不可见区域,由于太阳敏感器没有输出信息,只采用磁强计为测量敏感器,按传统模式对卫星轨道和姿态分别确定.最后对2种模式下的滤波算法进行数学仿真验证,结果表明该算法的可行性与有效性.     

基于深度学习的空间站舱内服务机器人视觉跟踪

为提升舱内跟随服务机器人的任务辅助能力,解决机器人对航天员的视觉跟踪问题,提出了一种基于深度学习和概率模型的人体视觉跟踪算法。利用深度卷积神经网络实现了对穿着多样、姿态任意人体的稳定检测。结合人体检测结果,设计了运动预测概率模型,实现了对指定人员准确、连续的跟踪。算法对包含大多数航天员活动的多个数据集进行了验证。实验结果表明:提出的跟踪算法实现了对穿着多样、姿态任意人体的稳定跟踪,并有效避免了由于穿着相似、遮挡可能造成的误跟踪问题。该算法为空间站舱内跟随服务机器人对航天员的视觉跟踪提供了有效的解决方法。算法基于融合的RGB-D图像,工程上易于构建和实现,也可拓展到其他跟随服务机器人视觉跟踪任务中。