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基于非线性滤波的小卫星姿态确定及控制研究

作　者: 曹璐
导　师: 陈小前
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 现代小卫星姿态确定姿态控制观测矢量敏感器联邦滤波预测滤波粒子滤波贝叶斯滤波序贯重要性采样滑模控制模糊自适应控制
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

现代小卫星以其高性能、低风险、短周期、低投入等特点,成为空间技术发展的一个重要方向。但由于受到成本、尺寸、质量、功耗等条件的限制,使得小卫星常常采用低精度、低功耗敏感器进行姿态确定及控制,致使姿态确定及控制水平普遍较低,严重影响了小卫星的总体性能。为了更好的提高小卫星性能,满足未来任务的需求,研究基于低精度敏感器实现高精度姿态确定及控制的技术,是有着重要意义的。论文正是以此为背景,研究解决了以下几个关键问题,主要内容如下:研究了多种改进的EKF姿态确定方法。在对传统的EKF方法进行了深入研究的基础上,通过对观测矢量的进一步推导,获得了基于角速度的观测方程,丰富了观测模型,提高了观测数据的利用率,并在此基础上对姿态确定流程进行了设计,改进了传统EKF算法,并通过仿真,获得了较高的姿态确定精度。研究了联邦滤波算法和预测滤波算法并将其应用于小卫星姿态确定中。通过对联邦滤波算法的研究,提出了基于新息观测的信息分配因子方法,该方法通过将观测新息引入到信息分配因子中去,提高了信息分配因子的准确性和可靠性,进而提高了改进联邦滤波算法的姿态确定精度。通过对预测滤波算法的研究,提出了将模型误差及角速度误差同时进行解耦估计的预测滤波策略,提高了模型的准确性,加速了角速度的收敛速度,进而增强了改进预测滤波算法处理非线性、非高斯白噪声的能力,通过仿真验证了两种方法均具有较高的滤波精度。研究了粒子滤波加速方法并将其应用于小卫星姿态确定中。通过对粒子滤波理论的学习、研究,大胆引入极限近似的思想,以此证明了采用少量粒子进行状态估计的可行性,并将“局部设计”的思想引入贝叶斯滤波及序贯重要性采样方法中,通过设计混合重采样方法进一步完善了整个粒子滤波加速方法,并在此基础上,对其进行了未知参数估计的增广研究。最后以小卫星姿态确定为例,提出了运用粒子滤波加速方法进行状态估计的一般流程,并取得了较前文方法更高的滤波精度。研究了基于滑模变结构控制的小卫星姿态控制方法。研究了基于I/O线性化的滑模变结构模糊自适应控制方法,取得了较好的控制效果,在此基础上,通过对非奇异Terminal滑模变结构的设计,提出了非奇异Terminal滑模变结构模糊自适应控制,验证了该方法可以在有限时间内实现姿态控制的快速收敛,通过进一步对该思想的完善,提出了全局快速积分Terminal滑模自适应控制,不仅使小卫星的姿态在有限时间内实现快速收敛,同时增强了其抗干扰能力。最后,通过仿真验证了控制方法的可靠性和有效性。论文研究的非线性滤波方法及滑模变结构控制理论,具有较强的非线性处理能力,可以实现低精度敏感器的高精度姿态确定及控制,有助于提高小卫星的总体性能,论文的研究工作可以为这一领域的技术研究和发展提供方案参考和技术支持。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-30
  1.1 现代小卫星发展历程及概况  16-20
  1.2 小卫星姿态确定技术  20-23
    1.2.1 小卫星姿态确定原理  20-21
    1.2.2 小卫星姿态确定方法  21-23
  1.3 小卫星姿态控制技术  23-26
    1.3.1 小卫星姿态控制原理  23-24
    1.3.2 小卫星姿态控制方法  24-26
  1.4 论文研究背景及意义  26-27
  1.5 论文研究内容及安排  27-30
第二章卫星姿态描述及数学建模  30-56
  2.1 卫星参考坐标系的定义及坐标转换  30-35
    2.1.1 参考坐标系的定义  30-32
    2.1.2 坐标转换  32-35
  2.2 卫星姿态描述及运动学方程  35-44
    2.2.1 卫星姿态的欧拉角描述及运动学方程  35-37
    2.2.2 卫星姿态的四元素描述及运动学方程  37-40
    2.2.3 卫星姿态的MRP 描述及运动学方程  40-42
    2.2.4 描述方法之间的转换关系  42-44
  2.3 卫星姿态动力学方程  44-45
  2.4 测量数学模型  45-46
    2.4.1 地球磁场模型  45-46
    2.4.2 太阳矢量模型  46
  2.5 姿态敏感器  46-49
    2.5.1 三轴磁强计  46-47
    2.5.2 太阳敏感器  47-49
  2.6 空间环境力矩分析  49-54
    2.6.1 重力梯度干扰力矩  49-51
    2.6.2 气动干扰力矩  51-52
    2.6.3 剩磁干扰力矩  52-53
    2.6.4 太阳光压力矩  53-54
  2.7 本章小结  54-56
第三章基于扩展Kalman 滤波方法的小卫星姿态确定研究  56-81
  3.1 卫星姿态确定性方法原理介绍  56-58
    3.1.1 TRIAD 算法介绍  57
    3.1.2 QUEST 算法介绍  57-58
  3.2 扩展Kalman 滤波定姿算法  58-65
    3.2.1 状态方程的线性化及分析  58-61
    3.2.2 观测方程的线性化  61-63
    3.2.3 Kalman 滤波算法流程  63-65
  3.3 “磁强计+太阳敏感器”扩展Kalman 滤波  65-66
  3.4 加入马尔可夫过程的扩展Kalman 滤波  66-69
    3.4.1 加入马尔可夫过程方法介绍  67
    3.4.2 仿真分析  67-69
  3.5 加入角速度观测方程的扩展Kalman 滤波  69-71
    3.5.1 角速度观测方程的建立与线性化  69-70
    3.5.2 仿真分析  70-71
  3.6 后加角速度修正的扩展Kalman 滤波  71-73
    3.6.1 后加角速度方法介绍  71-72
    3.6.2 仿真分析  72-73
  3.7 “角速度+姿态角度”分步式滤波方法  73-76
    3.7.1 分步式滤波方法介绍  73-75
    3.7.2 仿真分析  75-76
  3.8 基于MRP 描述的Kalman 滤波方法研究  76-80
    3.8.1 基于MRP 描述的模型建立及其线性化  76-78
    3.8.2 MRP 切换的方差变化分析  78-79
    3.8.3 仿真分析  79-80
  3.9 本章小结  80-81
第四章小卫星姿态确定的信息融合方法及去除有色噪声研究  81-99
  4.1 小卫星姿态确定多传感器信息融合技术研究  81-87
    4.1.1 联邦滤波信息融合方法  82-83
    4.1.2 改进联邦滤波器的信息分配因子方法研究  83-84
    4.1.3 信息融合模型的建立  84-85
    4.1.4 改进联邦滤波器信息融合过程设计  85-86
    4.1.5 仿真分析  86-87
  4.2 考虑有色噪声的扩展预测滤波算法在卫星姿态确定中的应用  87-98
    4.2.1 预测滤波算法的基本原理  87-89
    4.2.2 预测滤波算法在卫星姿态确定中的扩展应用  89-91
    4.2.3 扩展预测滤波算法分析  91-95
    4.2.4 扩展预测滤波流程  95-96
    4.2.5 仿真分析  96-98
  4.3 本章小结  98-99
第五章粒子滤波加速方法研究及其在小卫星姿态确定中的应用  99-136
  5.1 粒子滤波基本思想介绍  99-101
    5.1.1 Monte Carlo 积分  99-101
    5.1.2 粒子滤波基本原理  101
  5.2 传统粒子滤波方法问题分析  101-102
  5.3 基于极限近似思想的、少量粒子状态估计可行性证明  102-110
    5.3.1 极限思想的引入及极限估计证明  102-105
    5.3.2 局部区域(-(ε|^)_k,+(ε|^)_k ) 的确定  105-110
  5.4 局部贝叶斯滤波原理拓展证明  110-115
  5.5 局部序贯重要性采样理论推导  115-119
  5.6 混合重采样方法介绍  119-121
  5.7 加速粒子滤波方法加速性能测试  121-124
    5.7.1 加速性能测试  121-122
    5.7.2 粒子活性性能测试  122-124
  5.8 加速粒子滤波方法的增广研究  124-127
    5.8.1 增广方法分析  124
    5.8.2 实现过程中的问题及解决方法  124-125
    5.8.3 实例仿真  125-127
  5.9 加速粒子滤波方法的一般流程及在小卫星姿态确定中的应用  127-135
    5.9.1 加速粒子滤波方法的一般实现流程  127-128
    5.9.2 小卫星姿态确定中的加速粒子滤波方法设计  128-129
    5.9.3 仿真分析  129-131
    5.9.4 方差递推方法介绍及仿真分析  131-133
    5.9.5 考虑地球阴影区域及有色噪声影响的小卫星姿态确定研究  133-135
  5.10 本章小结  135-136
第六章基于滑模变结构的小卫星姿态控制方法研究  136-172
  6.1 小卫星姿态控制系统模型描述  136-138
    6.1.2 反作用飞轮控制率  137
    6.1.3 控制模型描述  137-138
  6.2 基于I/O 线性化的滑模变结构自适应模糊控制  138-143
    6.2.1 输入输出线性化  138-140
    6.2.2 滑模变结构控制器设计  140-141
    6.2.3 自适应设计  141-142
    6.2.4 自适应模糊设计  142-143
  6.3 磁卸载控制规律  143-144
  6.4 基于I/O 线性化的滑模控制仿真及分析  144-152
  6.5 基于非奇异Terminal 滑模模糊自适应设计  152-157
    6.5.1 滑模面设计  152-153
    6.5.2 非奇异Terminal 控制器设计  153-155
    6.5.3 自适应模糊设计  155-156
    6.5.4 非奇异Terminal 模糊自适应控制器稳定性分析  156-157
  6.6 基于非奇异Terminal 滑模控制仿真及分析  157-163
  6.7 全局快速积分Terminal 滑模自适应控制  163-167
    6.7.1 滑模面设计  163
    6.7.2 全局快速积分Terminal 控制器设计  163-165
    6.7.3 自适应设计  165-166
    6.7.4 全局快速积分Terminal 自适应控制器稳定性分析  166-167
  6.8 全局快速积分Terminal 滑模控制仿真及分析  167-171
  6.9 本章小结  171-172
第七章磁力矩器设计及演示实验  172-184
  7.1 磁力矩器的工作原理及磁力矩分析  173-175
    7.1.1 磁力矩器的工作原理  173
    7.1.2 通电回路在地磁场中的磁力矩分析  173-175
  7.2 磁力矩器驱动控制单元系统组成  175-177
    7.2.1 电流幅度控制电路原理  175
    7.2.2 电流时间控制电路原理  175-177
  7.3 TMS320C2808 介绍  177-179
  7.4 驱动及检测电路介绍  179-180
  7.5 实验：磁力矩器产生的磁场强度测量实验  180-183
    7.5.1 实验目的  180
    7.5.2 实验设计方案  180-181
    7.5.3 实验步骤  181-183
    7.5.4 实验结果与分析  183
  7.6 本章小结  183-184
结束语  184-186
致谢  186-188
参考文献  188-196
作者在学期间取得的学术成果  196

基于非线性滤波的小卫星姿态确定及控制研究

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