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基于恒星和地心矢量观测的微小卫星定姿方案及算法研究

作　者: 吴廷元
导　师: 刘建业
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 微小卫星姿态确定非线性系统扩展卡尔曼滤波平淡卡尔曼滤波粒子滤波 VxWorks
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 170次
引　用: 2次
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内容摘要

现代微小卫星以低廉的成本、快速灵活的特点以及快速验证新技术的能力,在各个国家正越来越受到重视。本文以三轴稳定的微小卫星为研究对象,展开了对微小卫星姿态确定算法的研究。主要内容包括以下几个方面:针对两类不同的微小卫星,提出了两种姿态确定方案:(1)陀螺/星敏感器组合配置,该配置适合质量相对较大的、具有高精度姿态需求的微小卫星;(2)磁强计/地球敏感器组合的无陀螺配置,该方案适合质量相对较小、低成本的微小卫星。同时利用扩展卡尔曼滤波(EKF)对两种方案展开研究,针对方案(1)研究了基于四元数的姿态确定算法,针对方案(2)研究了分别基于四元数和修正罗德里格参数的姿态确定算法,最后通过仿真验证了这些算法的有效性。为提高陀螺/星敏感器配置的姿态确定精度,首先研究了对星敏感器输出延时进行补偿的方法;其次,对星载陀螺误差进行建模,并利用EKF实现了在机动条件下对陀螺误差的实时标定,提高了姿态确定精度。最后仿真验证了这两种方法的有效性。针对方案(2)具有较强非线性的特点和EKF具有较大线性化误差的不足,首先引入更适合于非线性系统的平淡卡尔曼滤波(UKF),研究了基于UKF的姿态确定算法,其次,为提高非高斯噪声条件下的定姿精度,研究了利用粒子滤波(PF)进行姿态确定的算法。最后,通过仿真验证了这两种算法的优越性。结合方案(1)的定姿原理,以VxWorks和PC104为软硬件环境,实现了陀螺/星敏感器组合姿态确定算法,搭建了陀螺/星敏感器组合姿态确定仿真系统,并利用该系统对实现的算法的可行性进行了验证。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-22
  1.1 引言  14
  1.2 姿态确定系统研究现状  14-19
    1.2.1 姿态描述参数  15
    1.2.2 姿态敏感器  15-17
    1.2.3 姿态确定算法  17-19
  1.3 课题研究的目的和意义  19-20
  1.4 本文主要研究内容  20-22
第二章姿态确定配置方案的分析与研究  22-41
  2.1 引言  22
  2.2 卫星姿态确定的研究基础  22-27
    2.2.1 卫星姿态参数及运动模型  22-26
      2.2.1.1 欧拉角  22-23
      2.2.1.2 四元数  23-24
      2.2.1.3 修正罗德里格参数  24-25
      2.2.1.4 卫星姿态动力学方程  25-26
    2.2.2 扩展卡尔曼滤波  26-27
  2.3 两种姿态确定配置方案的提出与分析  27-28
  2.4 陀螺/星敏感器的组合姿态确定研究  28-34
    2.4.1 星敏感器和陀螺测量模型  28-30
    2.4.2 基于陀螺/星敏感器/EKF 的姿态确定算法研究  30-32
    2.4.3 仿真研究  32-34
  2.5 基于磁强计/地球敏感器的无陀螺姿态确定算法研究  34-40
    2.5.1 磁强计/地球敏感器的测量模型  34-35
    2.5.2 基于四元数/EKF 的无陀螺姿态确定算法研究  35-36
    2.5.3 基于修正罗德里格参数/EKF 的无陀螺姿态确定算法研究  36-38
    2.5.4 仿真研究  38-40
  2.6 本章小结  40-41
第三章陀螺/星敏感器组合姿态确定技术改进研究  41-56
  3.1 引言  41
  3.2 基于星敏感器延时补偿的姿态确定算法  41-43
    3.2.1 延时修正方法  41-42
    3.2.2 仿真研究  42-43
  3.3 具有陀螺误差标定功能的姿态确定算法研究  43-54
    3.3.1 含安装误差/刻度误差/常值漂移误差的陀螺测量模型  44-47
    3.3.2 基于姿态估计/陀螺标定的姿态确定算法  47-51
    3.3.3 仿真研究  51-54
  3.4 本章小结  54-56
第四章基于磁强计/地球敏感器的姿态确定改进研究  56-72
  4.1 引言  56-57
  4.2 基于UKF 的无陀螺姿态确定研究  57-62
    4.2.1 UKF 基本原理  57-59
    4.2.2 基于修正罗德里格参数/UKF 的无陀螺姿态确定算法  59-60
    4.2.3 仿真研究  60-62
  4.3 基于PF 的无陀螺姿态确定研究  62-70
    4.3.1 PF 基本原理分析  62-66
    4.3.2 基于修正罗德里格参数/PF 的姿态确定算法研究  66-67
    4.3.3 仿真研究  67-70
  4.4 本章小结  70-72
第五章基于 PC104/VxWorks 的卫星姿态确定系统研究  72-79
  5.1 引言  72
  5.2 VxWorks 操作系统特点  72-73
  5.3 VxWorks 下姿态确定系统的实现与分析  73-78
    5.3.1 实现对象的具体描述  73
    5.3.2 系统具体实现过程  73-77
    5.3.3 实现的算法及姿态确定系统的有效性验证  77-78
  5.4 本章小结  78-79
第六章全文总结与展望  79-81
  6.1 本文的主要工作  79-80
  6.2 进一步工作展望  80-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86

基于恒星和地心矢量观测的微小卫星定姿方案及算法研究

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