UKF和EKF在卫星姿态确定中的应用研究

发布时间：2017-03-21 09:12

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【摘要】： 针对三轴稳定卫星的姿态估计问题,本文研究了“陀螺+磁强计”、“陀螺+星敏感器”两种姿态确定方案。基于卡尔曼滤波“预测-更新”结构,分别设计了Unscented卡尔曼滤波器(Unscented kalman filter,UKF)和推广卡尔曼滤波器(Extended kalman filter,EKF),并对二者的滤波性能进行了比较。 在设计UKF过程中,使用修正罗德里格参数表示姿态偏差。计算预测估计主要思想是以Unscented变换为基础,首先采用Chelosky方法对状态误差方差阵分解求得西格马点,直接代入非线性方程中进行时间更新,再通过算术加权平均即可得状态估计和观测估计。 在设计EKF过程中,使用误差四元数表示姿态角偏差。状态估计的主要思想是采用泰勒展开和一阶线性近似对非线性方程逼近;观测估计算是将预测状态估计代入到非线性模型中进行时间更新得到的。将状态估计和观测估计代入线性化后的系统中,采用卡尔曼滤波即可得姿态偏差估计。通过对照两种滤波器的算法结构可得:UKF直接使用非线性模型进行姿态偏差估计,精度和收敛速度优于EKF。 以某对地三轴稳定卫星为例,仿真计算了UKF和EKF的姿态估计初值和滤波时间对精度、稳定性、收敛速度的影响。仿真结果表明,UKF计算量和EKF相当,但收敛阶段的离散程度小,速度快;在初值存在较大偏差的情况下,UKF的性能更加突出。
【关键词】：UKF EKF 姿态确定 应用研究
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 图目录8-9
• 表目录9-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 论文背景及研究的目的和意义10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 姿态敏感器研究现状10-11
• 1.2.2 姿态确定研究现状11-13
• 1.2.3 卡尔曼滤波技术发展现状13-15
• 1.3 论文主要研究内容15-16
• 第2章 卫星姿态运动学方程的建立16-25
• 2.1 参考坐标系定义及坐标转换16-17
• 2.1.1 参考坐标系16-17
• 2.1.2 坐标系转换17
• 2.2 卫星姿态描述法17-23
• 2.2.1 欧拉角17-19
• 2.2.2 四元数19-20
• 2.2.3 罗德里格参数20
• 2.2.4 各种参数之间的关系20-23
• 2.3 卫星姿态运动方程的建立23-24
• 2.3.1 欧拉角姿态运动学方程23
• 2.3.2 四元数姿态运动学方程23-24
• 2.3.3 MRPs 表示的姿态运动学方程24
• 2.4 小结24-25
• 第3章 卡尔曼滤波技术25-31
• 3.1 系统方程及其线性化25-26
• 3.2 离散型EKF 方程26-28
• 3.3 UKF 滤波28-30
• 3.3.1 Unscented 变换28-29
• 3.3.2 Unscented 卡尔曼滤波算法29-30
• 3.4 UKF 和EKF 算法比较30-31
• 第4章 基于陀螺+星敏感器的卫星姿态确定应用研究31-55
• 4.1 陀螺+星敏感器定姿原理31-32
• 4.2 光纤陀螺的测量模型32-33
• 4.3 星敏感器测量模型33-35
• 4.4 EKF 姿态估计器设计与仿真35-47
• 4.4.1 系统方程35-37
• 4.4.2 线性化方程37-39
• 4.4.3 EKF 姿态估计器及校正39-42
• 4.4.4 EKF 仿真结果及分析42-47
• 4.5 UKF 姿态估计器设计与仿真47-54
• 4.5.1 姿态方程与误差表示47-48
• 4.5.2 Unscented 变换48-49
• 4.5.3 UKF 姿态估计器及校正49-50
• 4.5.4 UKF 仿真50-54
• 4.6 EKF 和UKF 对比分析54
• 4.7 小结54-55
• 第5章 基于陀螺+磁强计的卫星姿态确定系统应用研究55-69
• 5.1 磁强计测量模型55-58
• 5.1.1 地磁矢量计算56-57
• 5.1.2 磁强计测量模型57-58
• 5.2 UKF 姿态估计器设计与仿真58-63
• 5.2.1 系统方程58
• 5.2.2 UKF 算法过程58-59
• 5.2.3 UKF 仿真59-63
• 5.3 EKF 姿态估计器设计与仿真63-68
• 5.3.1 误差方程63-64
• 5.3.2 EKF 仿真64-68
• 5.4 UKF 和EKF 对比分析68
• 5.5 小结68-69
• 第6章 总结和展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-74
• 发表文章目录74-75
• 致谢75

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 董大琼;崔恒彬;康晓磊;高立;;基于船舶操控模型的UKF滤波算法研究[J];舰船电子工程;2013年08期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 刘蕾;张泽旭;;基于视觉辅助IMU的小行星精确着陆导航算法研究[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（上册）[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 牛春峰;弹道环境下的陀螺/GPS组合姿态测量方法研究[D];南京理工大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 邵敏;交会对接仿真平台中基于iGPS与CCD的组合导航[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 郝东;微小卫星姿态确定与磁控技术研究[D];国防科学技术大学;2011年

3 安笛;UKF性能分析及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2011年

4 赵岩良;捷联惯导系统动基座和大失准角初始对准的研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

5 李超;基于非线性滤波的飞行器姿态确定算法研究[D];杭州电子科技大学;2012年

6 倪旖;有控弹箭飞行弹道预报技术研究[D];南京理工大学;2013年

  本文关键词：UKF和EKF在卫星姿态确定中的应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：259399