基于星体角速度估计的陀螺故障诊断

为在星载惯性基准单元(IMU)正常工作的陀螺的冗余度不满足奇偶方程法条件时诊断陀螺故障，通过卫星稳态运行期间高精度星敏感器输出的姿态四元数信息，根据卫星姿态运动学和动力学方程，采用非线性广义卡尔曼滤波(EKF)得到星体角速度的估计值。在此基础上，通过设计的故障诊断器对陀螺故障进行定位。仿真结果表明，该法可检测陀螺的突变和缓变故障。     

基于视线角四元数序列的视线角速率样条滤波

依据坐标系转换四元数与坐标系旋转角速度之间的关系，提出了基于视线角四元数序列的视线角速率自适应样条滤波算法。该算法利用样条函数表示视线角四元数，结合四元数与角度之间的对应关系，建立了系统状态方程；在只给出视线角序列信息的情况下，对观测误差进行了补偿，实现了自适应样条滤波算法，获得了有效的视线角速率信息。     

基于四元数的航天器解耦模糊变结构控制

基于四元数设计变结构控制（VSC）的滑动平面，通过适当选择滑动平面的参数矩阵实现控制系统的解耦。在变结构控制系统中引入模糊控制，以切换函数的绝对值作为模糊控制器的输入，设计合适的模糊规则，通过模糊推理和解模糊得到符号函数的参数矩阵，消除了变结构系统中的抖振现象，并能保持系统的鲁棒性控制系统结构简单，模糊控制器运算量小，仿真实例证明该方法是有效的。     

四元数、Rodrigues参数在卫星姿态解算上的对比研究

详细阐述了罗德里格(Rodrigues)参数及改进型罗德里格(Modified Rodrigues)参数与四元数间的关系;推导了Rodrigues参数及改进型罗德里格参数微分方程和姿态阵,提出了后者避免奇异性的方法。通过仿真对以Rodrigues参数及改进型罗德里格参数描述的卫星姿态算法和以四元数描述的姿态算法在计算量和计算精度上进行了详细比较。仿真结果表明,Rodrigues参数和改进型罗德里格参数计算精度相当且计算量上优于四元数。     

Accurate attitude estimation of HB2 standard model based on QNCF in hypersonic wind tunnel test

The accuracy of the HB2 standard model attitude measurement has an important impact on the hypersonic wind tunnel data assessment. The limited size of the model and the existence of external vibrations make it challenging to obtain real-time reliable attitude measurement. To reduce the influence of attitude errors on test results, this paper proposes a Quaternion Nonlinear Complementary Filter (QNCF) attitude determination algorithm based on Microelectromechanical Inertial Measurement Unit (MEMS-IMU). Firstly, the threshold-based PI control strategy is adopted to eliminate noise effect according to the Acceleration Magnitude Detector (AMD). Then, the flexible quaternion method is updated to carry out attitude estimation which is operational and easy to be embedded in the Field Programmable Gate Array (FPGA). Finally, a high-precision three-axis turntable test and a hypersonic wind tunnel test are performed. The results show that the pitch-roll attitude errors are within 0.05° and 0.08° in the high-precision three-axis turntable test in a calculation time of 100 s respectively, and the attitude error is within 0.3° after the elastic angle correction in the hypersonic wind tunnel test. The proposed method can provide accurate real-time attitude reference for the analysis of the actual movement of the model, exhibiting certain engineering application value with robustness and simplicity.     

基于多敏感器的卫星姿态确定算法

针对多敏感器组成的卫星姿态确定系统,采用四元数方法建立卫星姿态估计器模型,应用扩展卡尔曼滤波EKF算法进行信息融合,通过仿真算例验证此算法具有较高的精度。与此同时,在EKF算法基础上提出一种定常增益的卡尔曼滤波CGKF算法。通过数学仿真对EKF算法和CGKF算法进行比较分析,证明在一定条件下CGKF算法具有与EKF算法相当的滤波精度,并且简化后的CGKF算法在获得与EKF算法相近滤波效果的同时,还能够节约星上资源,减少计算量。     

大型卫星姿态机动的滑模变结构控制技术

研究了大型卫星三轴大角度姿态机动控制。建立了以控制力矩陀螺作为执行机构的大型卫星姿态动力学方程,针对快速性和鲁棒性要求,设计了一种滑模变结构控制器。控制器基于反馈四元数,避免了源自三轴大角度机动欧拉角描述的奇异性,且滑动模态能满足Lyapunov意义的渐近稳定。仿真结果验证了该控制器的有效性和优良性能。     

矢阵与四元数的关系及其在飞行力学中的应用

本文将矢阵引入到四元数的表示当中，首次提出了矢阵的四元数“圈积”的概念，并由此规定了关于四元数的扩展矢阵和扩展矢阵圈算子。在此框架下严密而系统地导出了四元数的常用关系。本方法概念清晰、形式化美、逻辑性强，具有理论和应用价值     

捷联惯性导航、制导系统中方向余弦矩阵的递推算法

数十年来，四元数及其解法成功地应用于捷联惯性导航和制导系统中，成为经典的算法。它定义了从导航坐标系到飞行器体坐标系的四元数，然后给出四元数更新方程，再根据实时确定的四元数求出体系到导航坐标系的方向余弦矩阵，以便将测得的体系的视速度增量转换到导航系。从制导和导航角度看，上述方向余弦矩阵是必不可少的，而四元数却是中间变量，因此，本文跨越了四元数及其算法，根据方向余弦矩阵微分方程直接导出方向余弦矩阵的更新递推公式。数学仿真表明该算法的精度与四元数算法接近，但它具有更容易理解、计算量小、编程简单等优点，可以代替四元数方法。     

四元数微分方程最小参数解法研究

对一种求解正交矩阵微分方程的三阶最小参数方法进行改造 ,将其用于四元数微分方程求解 ,并对其在捷联惯性导航系统姿态矩阵实时求解中的应用进行了仿真。结果表明 ,其计算精度比经典的三阶Peano Baker数值解法提高 35倍 ,而浮点运算次数则仅为后者的一半 ,对于提高捷联惯性导航系统姿态计算的精度具有重要意义。