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微小卫星及其编队轨道与姿态一体化确定方法研究

作　者: 邢艳军
导　师: 曹喜滨
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 微小卫星耦合轨道与姿态一体化确定相对状态确定卡尔曼滤波
分类号: V448.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

自主状态确定是卫星控制的基本前提和基础。对于成本和重量有严格限制的微小卫星，星上敏感器资源及其性能往往有限，如何充分利用有限的敏感器资源、完成自主状态确定任务、改善卫星轨道与姿态确定的精度，进而提高微小卫星功能密度，已成为当前航天领域的热点和难点问题。本学位论文以微小卫星及其编队轨道与姿态等状态确定为研究背景，对单星自主状态确定、卫星编队相对/绝对状态估计等相关问题进行深入研究，具体内容如下：为充分利用地磁场测量数据中包含的轨道与姿态信息，在基于地磁场测量的卫星轨道与姿态独立确定方法基础上，采用轨道与姿态确定串并联混合的耦合确定模式，提出了基于磁强计的卫星轨道与姿态耦合确定方法。该方法在初始误差较大时采用先定轨后定姿的串联模式确保系统收敛性，待串联策略收敛后采用基于地磁场矢量的姿轨并联确定模式提高系统估计精度，同时基于新息序列设计鲁棒卡尔曼滤波算法，通过自适应调整滤波器的增益矩阵来降低轨道与姿态耦合确定时滤波误差的相互影响。仿真结果表明了该方法在提高系统鲁棒性和估计精度等方面的有效性。考虑卫星在轨运动以及敏感器测量等方面轨道与姿态相互耦合的特性，在建立卫星轨道与姿态耦合动力学模型和敏感器测量模型的基础上，提出了基于多速率滤波算法的卫星轨道与姿态一体化确定方法，并采用局部可观测性理论以及可观测性矩阵条件数和奇异值分解等对系统的可观测性及可观测度进行分析，从理论方面论述了轨道姿态一体化确定的可行性。为避免由于采用一体化确定模式导致滤波维数增加，进而导致计算量过大的问题，引入长短周期不同时刻点分别采用Schmidt-EKF和统一滤波算法的多速率滤波思想，在保证确定精度的前提下有效地降低了计算量。针对从星上敏感器测量主星上多个点光源方向矢量的测量模式，提出了基于高斯二阶卡尔曼滤波算法的编队卫星相对位置与姿态一体化确定方法。针对应用中由于待估计特征点与质心不重合等问题，建立考虑特征点质心偏移的相对运动状态方程，设计了基于乘性四元数的UKF算法，提出了考虑非质心影响的相对位置与姿态估计方法，并采用Fisher信息矩阵和误差方差矩阵的迹分析了星间相对距离、点光源数目及其分布情况等对估计精度的影响。为基于视觉的卫星编队相对状态估计系统的设计及应用奠定基础。针对具有磁强计、陀螺及视觉敏感器等配置的编队成员卫星绝对轨道与姿态确定问题，在基于磁强计/陀螺的姿轨一体化确定算法和基于视觉测量的编队相对状态一体化确定算法的基础上，设计联邦滤波和两步滤波两种分散式滤波算法，提出了考虑相对测量信息的编队卫星绝对轨道与姿态一体化确定方法。在保证高精度绝对状态确定的同时，提高了系统的可靠性和容错能力。针对从星磁强计故障情况，提出了先主星后从星的串联确定策略，并设计了基于球形采样的UKF算法，实现编队双星的绝对状态估计。在双星磁强计都故障时，分析了依靠星间相对测量进行编队卫星绝对轨道确定的可行性。为绝对轨道与姿态测量信息有限时的编队卫星轨道与姿态确定提供了一条可行的解决途径。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-29
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  14-15
    1.1.1 课题来源  14
    1.1.2 课题研究的目的和意义  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-27
    1.2.1 微小卫星发展概况  15-18
    1.2.2 微小卫星轨道与姿态确定方法  18-24
    1.2.3 相对导航方法  24-26
    1.2.4 非线性估计方法  26-27
  1.3 本文主要研究内容  27-29
第2章卫星轨道与姿态动力学模型  29-44
  2.1 引言  29
  2.2 坐标系定义及其变换  29-31
  2.3 卫星轨道运动模型  31-34
    2.3.1 卫星轨道运动方程  31
    2.3.2 摄动模型  31-34
  2.4 卫星姿态运动模型  34-39
    2.4.1 卫星的姿态描述  34-36
    2.4.2 卫星的姿态运动学和动力学方程  36-37
    2.4.3 干扰力矩模型  37-39
  2.5 敏感器测量模型  39-43
    2.5.1 磁强计测量模型  39-42
    2.5.2 陀螺测量模型  42
    2.5.3 地球敏感器测量模型  42-43
  2.6 本章小结  43-44
第3章基于鲁棒卡尔曼滤波的轨道与姿态耦合确定方法  44-64
  3.1 引言  44
  3.2 轨道与姿态耦合确定策略  44-47
  3.3 鲁棒卡尔曼滤波算法设计  47-54
    3.3.1 鲁棒卡尔曼滤波算法  47-51
    3.3.2 鲁棒卡尔曼滤波稳定性分析  51-54
  3.4 轨道与姿态确定  54-56
    3.4.1 串联确定策略  54-55
    3.4.2 混合确定策略  55-56
  3.5 数学仿真及结果分析  56-63
    3.5.1 串联确定策略仿真  56-62
    3.5.2 混合确定策略仿真  62-63
  3.6 本章小结  63-64
第4章轨道与姿态一体化确定的可观测性分析及多速率滤波方法  64-83
  4.1 引言  64-65
  4.2 基于 Schmidt-EKF 的多速率卡尔曼滤波器设计  65-67
  4.3 基于局部可观测性理论的可观测性分析方法  67-69
  4.4 轨道与姿态的一体化确定  69-73
    4.4.1 基于磁强计/陀螺的一体化确定  69-71
    4.4.2 基于磁强计/地球敏感器的一体化确定  71-73
  4.5 数学仿真及结果分析  73-82
    4.5.1 磁强计/陀螺测量模式仿真  73-76
    4.5.2 磁强计/地球敏感器测量模式仿真  76-82
  4.6 本章小结  82-83
第5章基于特征点光源方向矢量测量的相对位置与姿态一体化确定方法  83-110
  5.1 引言  83
  5.2 方向矢量测量相对估计基本原理  83-85
  5.3 基于高斯二阶滤波的相对位置与姿态估计  85-97
    5.3.1 运动模型的建立  85-87
    5.3.2 高斯二阶卡尔曼滤波  87-88
    5.3.3 相对位置与姿态估计  88-89
    5.3.4 数学仿真及结果分析  89-97
  5.4 从星上与质心不重合的点相对位置与姿态估计  97-103
    5.4.1 运动模型及测量模型的建立  97-99
    5.4.2 基于 UKF 的相对位置与姿态估计  99-101
    5.4.3 数学仿真及结果分析  101-103
  5.5 基于 Fisher 信息矩阵的误差分析  103-108
    5.5.1 Fisher 信息矩阵的迹分析  103-106
    5.5.2 数学仿真及分析  106-108
  5.6 本章小结  108-110
第6章考虑相对测量的编队卫星绝对运动状态分散滤波方法  110-129
  6.1 引言  110
  6.2 基于分散滤波的双星轨道与姿态确定  110-116
    6.2.1 基于联邦滤波算法的轨道与姿态确定  110-113
    6.2.2 基于两步滤波算法的轨道与姿态确定  113-114
    6.2.3 数学仿真及结果分析  114-116
  6.3 从星磁强计故障情况下的双星轨道与姿态确定  116-120
    6.3.1 双星状态串联确定策略  116-117
    6.3.2 基于球形采样的 UKF 算法  117-118
    6.3.3 数学仿真及结果分析  118-120
  6.4 双星磁强计故障情况下的双星绝对轨道确定  120-128
    6.4.1 问题描述  120-121
    6.4.2 可观测性分析  121-124
    6.4.3 EKF 仿真验证  124-128
  6.5 本章小结  128-129
结论  129-131
参考文献  131-144
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果  144-147
致谢  147-148
个人简历  148

微小卫星及其编队轨道与姿态一体化确定方法研究

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