浮空光电平台高精度姿态测量技术研究

发布时间：2018-04-21 15:15

本文选题：临近空间 + 浮空光电平台　；参考：《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》2015年博士论文

【摘要】：以高空气球为载体的临近空间浮空光电探测平台是在临近空间进行天文观测、地球环境观测、空间目标跟踪观测、空间靶场测量的理想平台,具有重大的科学意义和军事应用价值,受到越来越多的国家的重视。光电负载效能的发挥需要稳定的浮空平台姿态,而高精度姿态测量是对浮空平台姿态稳定控制的必要条件。因此,本文将结合空间靶场测量和近地空间目标观测的应用背景,围绕浮空光电探测平台的高精度姿态测量技术展开研究。论文研究了浮空光电平台姿态测量与控制系统的总体技术。结合临近空间靶场测量和近地空间目标观测对浮空光电探测平台指向机构动态特性的要求,设计了一种浮空吊舱和跟踪转台相对独立的结构。一方面隔离了吊舱姿态扰动对跟踪转台指向的扰动,另一方面分离了吊舱姿态与跟踪转台的指向控制,同时满足了浮空光电探测平台对系统动态特性的要求。论文分析了浮空光电平台的运动特性。研究了平流层的大气环境和高空气球的运动规律;结合高空气球的运动特点,详细的分析了浮空吊舱飞行过程中可能出现的旋转和摆动,建立了吊舱姿态变化的运动方程,通过求解运动方程确定了吊舱姿态变化规律;结合动力学耦合分析,研究了负载的指向机动给浮空吊舱姿态带来的扰动。提出了一种基于北极星敏感器和倾斜传感器的姿态测量方法。北极星观测矢量的选择避免了采用普通星敏感器的星图识别算法或伺服跟踪装置,降低了对星敏感器的要求;使用双轴倾斜传感器实现了对重力加速度矢量的观测;采用北极星观测矢量和重力观测矢量,利用TRAID算法实现了浮空吊舱姿态的高精度测量。提出了一种基于光纤陀螺仪姿、北极星敏感器和倾角传感器的组合姿态测量算法。组合姿态测量算法实现了各个传感器的优势互补,弥补了北极星敏感器和倾角传感器姿态更新速率低、短时精度低的不足,同时避免了光纤陀螺姿态传递算法的漂移问题,实现了姿态确定系统高精度、高更新速率的姿态角和姿态角速度同步输出;通过建立姿态误差与光纤陀螺漂移的状态空间模型,采用Kalman滤波实现了姿态误差与陀螺漂移的实时估计。完成了姿态估计与传递算法的数学仿真和实验验证。采用Matlab等软件生成仿真数据,对上述姿态估计与传递算法进行了数学仿真;结合实际光纤陀螺仪,对姿态测量算法进行了部分实验验证。仿真和实验结果验证了文中所提姿态估计算法的可行性,并取得了良好的姿态估计效果。分析了浮空吊舱姿态确定系统的姿态估计误差。确定了姿态估计的误差来源,并分析了各种误差源对姿态估计精度的影响;对浮空吊舱姿态确定系统的总体精度进行了评价;结果表明,通过合理的选择现有的姿态传感器,可以实现角秒量级的吊舱姿态估计精度。本文的研究内容对于建立临近空间浮空光电探测平台具有重要的参考意义和较高的工程应用价值。
[Abstract]:In this paper , a new attitude measurement method based on the attitude determination and control system of floating space is presented .

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249;V27

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