Evaluation of geomagnetic field models using magnetometer measurements for satellite attitude determination system at low earth orbits: Case studies

In this study, different geomagnetic field models are compared in order to study the errors resulting from the representation of magnetic fields that affect the satellite attitude system. For this purpose, we used magnetometer data from two Low Earth Orbit (LEO) spacecraft and the geomagnetic models IGRF-12 (Thébault et al., 2015) and T89 (Tsyganenko, 1989) models to study the differences between the magnetic field components, strength and the angle between the predicted and observed vector magnetic fields. The comparisons were made during geomagnetically active and quiet days to see the effects of the geomagnetic storms and sub-storms on the predicted and observed magnetic fields and angles. The angles, in turn, are used to estimate the spacecraft attitude and hence, the differences between model and observations as well as between two models become important to determine and reduce the errors associated with the models under different space environment conditions. We show that the models differ from the observations even during the geomagnetically quiet times but the associated errors during the geomagnetically active times increase. We find that the T89 model gives closer predictions to the observations, especially during active times and the errors are smaller compared to the IGRF-12 model. The magnitude of the error in the angle under both environmental conditions was found to be less than 1°. For the first time, the geomagnetic models were used to address the effects of the near Earth space environment on the satellite attitude.     

一种新型陀螺的力矩器非圆性误差补偿方法

为提高磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）对陀螺载体姿态的敏感精度,基于其洛伦兹力磁轴承（LFMB）的设计结构,提出了一种力矩器非圆性误差补偿方法。首先,针对一种新型双球形包络面转子MSCSG,介绍了MSCSG的结构特点与陀螺载体姿态角速度敏感原理,并分别建立了MSCSG力矩器半径误差模型、转子偏转干扰力矩模型与陀螺载体姿态角速度敏感误差模型。其次,通过实验测量了力矩器的圆度,通过MATLAB进行数据拟合得到了力矩器的非圆特性,采用勒让德多项式级数对力矩器非圆性进行了描述,并有效补偿了因力矩器非圆性误差导致的姿态角速度敏感误差。最后,对误差补偿效果进行了仿真验证,结果表明该补偿方法使陀螺载体姿态角速度敏感误差降低了83.5%。此外,本文方法还可以解决LFMB陀螺的相关共性问题。      

基于值域的多约束GNSS单频单历元定姿新算法

多天线增强了全球卫星导航系统（GNSS）单频单历元姿态测量解算模型的强度,但随着天线数量增加,模糊度维数成倍增加,从模糊度域确定搜索空间的计算量将显著增长。基于此,提出了基于值域的多约束多天线GNSS单频单历元姿态测量新算法：该算法将姿态约束融入值域搜索模型,利用姿态约束条件推导搜索步长,通过姿态域三维搜索确定模糊度搜索空间,以基于最优条件姿态解非迭代近似估计的方法固定模糊度。实验结果表明,新算法中模糊度搜索效率较原方法提高约65.8%,固定模糊度效率较标准迭代算法提高约95.3%,且与标准迭代算法性能相当;所提算法能够实现GNSS单频单历元的模糊度固定和载体全姿态测量,具有较高的正确率。     

高亚声速靶弹拖曳式诱饵系统的拖缆姿态分析

拖缆姿态分析是高亚声速靶弹拖曳诱饵系统结构及布局设计的基础。针对常见的诱饵气动外形,利用旋成体空气动力学理论,分析估算高亚声速环境下拖曳诱饵的气动阻力。采用离散化方法,将柔软拖缆视为由多段刚体连接而成的链状结构,利用力矩平衡原理,由诱饵端起计算缆绳每一离散刚体段的姿态,并逐次向载弹拖缆定位点递推,最终近似计算出整条拖缆姿态。     

管道喷涂机器人:结构与位姿调整

针对工业上大型管道内壁喷涂的需求,设计了用于喷涂管道的机器人,该机器人采用串并联结构形式,由支撑平台和串联机械手组成.支撑平台采用几何的方法建立数学模型,串联机械手采用D-H参数法建模;并在数学模型基础上给出了逆解方程.位姿调整时,对机器人进行初定位,利用激光跟踪仪测量出管道和机器人的位姿,求解出调整量,对机器人进行位姿调整,使喷枪旋转轴和管道轴线重合.管道喷涂机器人在工厂进行试验测试,测试结果表明该装备可以很好地实现管道的喷涂,提高喷涂质量和效率.      

多视场星敏感器结构参数标定方法

提出一种基于星间角距不变原理的多视场(FOV)星敏感器结构参数标定方法.这种方法以欧拉角表征多视场星敏感器各个子视场之间的旋转关系,利用识别得到的各个视场星点的坐标信息和赤经赤纬信息,计算出多对星光矢量来建立标定模型和目标函数,然后使用L-M算法优化目标函数并解算出各个子视场之间的结构参数.此方法不需要外部姿态测量仪器辅助,可用于在轨和地面标定.在全天球随机抽取多个姿态生成多视场的仿真星图用于标定,并采用星内角统计偏差作为结构参数标定精度的评价指标.这种方法能够准确求解多视场星敏感器的结构参数.星内角统计偏差的平均值在星点位置噪声标准差为0.1像素的仿真试验中为1.3",在外场观星的实际试验中为6.4".      

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

基于蒙特卡罗方法的小卫星偏心分离动力学分析

对小卫星单星偏心分离动力学进行了研究。建立了基于多体动力学理论的偏心在轨分离模型,用ADAMS平台对小卫星分离过程动力学进行仿真,结果显示两者误差小于0.15%,验证了仿真模型的正确性。用Monte-Carlo法对分离动力学性能进行了优化,分析了不同因素对分离角速度和分离速度的敏感度,给出了三种优化方案。