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基于GPS的航天器姿态确定研究

作　者: 张健
导　师: 耿云海
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: GPS载波差分方程 LAMBDA算法 GPS定姿扩展卡尔曼滤波
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 133次
引　用: 4次
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内容摘要

航天器的姿态信息是导航系统中的重要参数,利用载波相位观测量对其姿态进行测量是GPS应用的一个新领域。GPS测量姿态不仅成本低、精度较高、没有误差累积和视场的盲点,还具有定轨定姿一体化等优势而日益成为导航领域研究的热点。本文以GPS定姿为研究对象,分析了GPS定姿的基本原理,研究了通过LAMBDA方法求解整周模糊度的过程,建立起基于误差四元数的载波相位差分观测方程,最后采用扩展卡尔曼滤波对其算法的有效性和精度进行了分析。论文研究的主要内容包括:第一,阐述了两种描述卫星运动姿态的方法及它们之间的联系和区别,定义了研究卫星运动的几种坐标系,采用四元数方法建立了卫星姿态运动学方程和动力学方程。接着介绍了GPS系统的构成,建立起基于GPS观测量的伪距和载波相位差分观测方程,并对双频载波相位观测值的线性组合及应用特点进行了分析。第二,研究了GPS整周模糊度解算的LAMBDA算法。首先,通过对GPS动态载波相位测量的研究引出了整周模糊度的概念,并介绍了一些模糊度解算的方法;其次,介绍了最小二乘估计,讨论了加权最小二乘在估计GPS整周模糊度中的应用;然后从整数最小二乘估计、模糊度搜索空间、双差模糊度去相关处理、模糊度搜索以及模糊度检验等五个方面对LAMBDA算法进行描述;最后通过随机构造所需数据,对整周模糊度的求解过程进行仿真验证,并从去相关的角度对LAMBDA算法进行评析。第三,介绍了扩展卡尔曼滤波原理,并对GPS接收机天线的布局及影响定姿精度的因素进行了分析。接着阐述利用GPS载波进行姿态确定的原理,在此基础上建立误差四元数模型,状态方程及载波相位差分观测方程,设计一种PD控制器对整个系统进行闭环仿真,通过改变测量噪声幅值大小进行三组对比仿真验证,说明基于GPS载波相位进行姿态确定的方法是有效的,整个定姿算法具有一定的鲁棒性。

基于GPS的航天器姿态确定研究

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