基于星敏感器的航天器姿态确定算法
发布时间：2021-11-16 07:48
在轨航天器的姿态确定问题是航天器系统工程中的基本问题,也是航天器执行各项太空任务的基础。不论是航天器的轨道姿态机动、空中交会对接,还是面对地球或者太阳的精确定向,都需要航天器系统对航天器自身的姿态有实时且精确的掌握。传统的航天器姿态确定,主要是采用空间坐标变换等原理或者是采用多姿态敏感器数据融合的方法进行姿态确定,前者存在无法抑制或克服姿态敏感器观测噪声引起的定姿误差的问题,而后者则由于多种姿态敏感器的引入使系统结构变得复杂多变,为系统的设计带来诸多不便。本文为部分解决或改善这些问题,设计并提出了一种新的基于单一星敏感器的联合姿态确定算法,并通过计算机仿真,研究其定姿性能。针对课题内容及预期目标,设计了一种联合姿态确定算法。对在轨航天器的动力学与运动学特性进行深入研究,应用非线性滤波理论对航天器姿态确定系统进行建模,并以无迹卡尔曼滤波算法为基础,利用双矢定姿原理对算法进行局部创新性改进,形成了联合姿态确定算法的总体方案设计。作为联合姿态确定算法的补充与扩展,提出了针对星敏感器数据缺失的姿态修正算法,来应对航天器运行过程中可能发生的特殊情况。以前期系统状态估计的经验数据,对航天器所受环境...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法仿真得到的航天器姿态参数估计曲线图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-26-根据图3-2，我们可以看出，该算法在仿真初始的一小段时间内，姿态估计曲线有轻微震荡，随后便迅速靠拢至航天器姿态的实际值附近，并始终跟随实际值实时的变化，实现了其对航天器进行姿态确定的功能。基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法的姿态确定误差如图3-3所示。图3-3基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法姿态确定误差根据图3-3，我们可以看出航天器姿态确定误差在经过500秒的震荡后收敛至零点附近，并且随着仿真时间的增加，姿态确定误差呈减少趋势。当系统仿真至5000秒的时间时，航天器姿态确定误差已减少至4104以内。由此可见，基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法可以有效的抑制系统噪声与星敏感器观测噪声的影响，克服由此引发的姿态确定误差震荡现象。该姿态确定算法的计算机仿真程序运行时间如表3-1所示。表3-1算法仿真运行时间仿真实验序号12345平均值系统运行时间（秒）2.8912.9052.9062.9202.8782.900单步运行时间（毫秒）0.58720.58100.58120.58400.57560.58003.4本章小结本章节在第二章所建立的航天器姿态确定系统模型的基础上，综合考虑了国内外主流滤波理论在航天工程问题中的应用情景，从实际问题出发，看到了本文所
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-35-4.4计算机仿真实验结果4.4.1双矢定姿方法航天器姿态确定的双矢定姿方法的MATLAB计算机仿真实验的相关参数设置与3.3节中设置相同。星敏感器采样周期为1秒，星敏感器对单位恒星矢量坐标的观测误差的方差为11010。两颗目标恒星在地面惯性参考坐标系下的坐标为：T1r[00]1，T2333[]333r。利用航天器姿态确定的双矢定姿方法仿真得到的航天器姿态曲线如图4-2所示。a)航天器姿态参数q0曲线图b)航天器姿态参数q1曲线图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于不完整双矢量观测的三轴姿态确定算法[J]. 谭彩铭,高翔,徐国政,陈盛. 仪器仪表学报. 2018(11)
[2]双基线姿态确定问题的算法优化[J]. 陈新东,胡小娟,郭杭,王海涛,田宝连. 测绘科学技术学报. 2018(03)
[3]基于EKF的航天器姿态确定算法及精度分析[J]. 王谦,李新洪,贺广松,张治彬,安继萍. 计算机测量与控制. 2018(06)
[4]基于Gauss-Newton和UKF结合的微小卫星姿态确定算法[J]. 康国华,范凯,周琼峰,梁尔涛. 中国空间科学技术. 2018(02)
[5]基于星敏感器的卫星姿态估计方法研究[J]. 高琴,任郑兵,孙爱民. 导航定位与授时. 2018(01)
[6]带有恒星自行校正的星敏感器定姿[J]. 李欣璐,杨进华,张刘,金光. 光电工程. 2015(02)
[7]用于无陀螺卫星姿态确定的预测UKF算法[J]. 廖鹤,王本利,曹正礼. 南京理工大学学报. 2011(05)
[8]基于UKF的微小卫星姿态确定方法研究[J]. 张翠,崔培玲,杨照华,全伟. 航天控制. 2010(02)
[9]基于星敏感器的卫星姿态确定方法研究[J]. 宋亮亮,张涛,梁斌,杨君. 系统仿真学报. 2010(S1)
[10]基于星敏感器的两种姿态确定算法比较分析[J]. 史广青,卢欣,武延鹏,黄欣,王立. 空间控制技术与应用. 2009(05)
硕士论文
[1]基于多矢量观测的姿态确定算法仿真与分析[D]. 张泽.中北大学 2018
[2]微小卫星地磁定姿系统的关键技术研究[D]. 刘志文.中北大学 2017
[3]卫星姿态确定的非线性滤波方法研究[D]. 牟忠凯.解放军信息工程大学 2010
[4]卫星高精度姿态确定中的非线性滤波方法研究[D]. 匡正德.国防科学技术大学 2009
本文编号：3498448
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法仿真得到的航天器姿态参数估计曲线图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-26-根据图3-2，我们可以看出，该算法在仿真初始的一小段时间内，姿态估计曲线有轻微震荡，随后便迅速靠拢至航天器姿态的实际值附近，并始终跟随实际值实时的变化，实现了其对航天器进行姿态确定的功能。基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法的姿态确定误差如图3-3所示。图3-3基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法姿态确定误差根据图3-3，我们可以看出航天器姿态确定误差在经过500秒的震荡后收敛至零点附近，并且随着仿真时间的增加，姿态确定误差呈减少趋势。当系统仿真至5000秒的时间时，航天器姿态确定误差已减少至4104以内。由此可见，基于星敏感器的无迹卡尔曼滤波算法可以有效的抑制系统噪声与星敏感器观测噪声的影响，克服由此引发的姿态确定误差震荡现象。该姿态确定算法的计算机仿真程序运行时间如表3-1所示。表3-1算法仿真运行时间仿真实验序号12345平均值系统运行时间（秒）2.8912.9052.9062.9202.8782.900单步运行时间（毫秒）0.58720.58100.58120.58400.57560.58003.4本章小结本章节在第二章所建立的航天器姿态确定系统模型的基础上，综合考虑了国内外主流滤波理论在航天工程问题中的应用情景，从实际问题出发，看到了本文所
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-35-4.4计算机仿真实验结果4.4.1双矢定姿方法航天器姿态确定的双矢定姿方法的MATLAB计算机仿真实验的相关参数设置与3.3节中设置相同。星敏感器采样周期为1秒，星敏感器对单位恒星矢量坐标的观测误差的方差为11010。两颗目标恒星在地面惯性参考坐标系下的坐标为：T1r[00]1，T2333[]333r。利用航天器姿态确定的双矢定姿方法仿真得到的航天器姿态曲线如图4-2所示。a)航天器姿态参数q0曲线图b)航天器姿态参数q1曲线图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于不完整双矢量观测的三轴姿态确定算法[J]. 谭彩铭,高翔,徐国政,陈盛. 仪器仪表学报. 2018(11)
[2]双基线姿态确定问题的算法优化[J]. 陈新东,胡小娟,郭杭,王海涛,田宝连. 测绘科学技术学报. 2018(03)
[3]基于EKF的航天器姿态确定算法及精度分析[J]. 王谦,李新洪,贺广松,张治彬,安继萍. 计算机测量与控制. 2018(06)
[4]基于Gauss-Newton和UKF结合的微小卫星姿态确定算法[J]. 康国华,范凯,周琼峰,梁尔涛. 中国空间科学技术. 2018(02)
[5]基于星敏感器的卫星姿态估计方法研究[J]. 高琴,任郑兵,孙爱民. 导航定位与授时. 2018(01)
[6]带有恒星自行校正的星敏感器定姿[J]. 李欣璐,杨进华,张刘,金光. 光电工程. 2015(02)
[7]用于无陀螺卫星姿态确定的预测UKF算法[J]. 廖鹤,王本利,曹正礼. 南京理工大学学报. 2011(05)
[8]基于UKF的微小卫星姿态确定方法研究[J]. 张翠,崔培玲,杨照华,全伟. 航天控制. 2010(02)
[9]基于星敏感器的卫星姿态确定方法研究[J]. 宋亮亮,张涛,梁斌,杨君. 系统仿真学报. 2010(S1)
[10]基于星敏感器的两种姿态确定算法比较分析[J]. 史广青,卢欣,武延鹏,黄欣,王立. 空间控制技术与应用. 2009(05)
硕士论文
[1]基于多矢量观测的姿态确定算法仿真与分析[D]. 张泽.中北大学 2018
[2]微小卫星地磁定姿系统的关键技术研究[D]. 刘志文.中北大学 2017
[3]卫星姿态确定的非线性滤波方法研究[D]. 牟忠凯.解放军信息工程大学 2010
[4]卫星高精度姿态确定中的非线性滤波方法研究[D]. 匡正德.国防科学技术大学 2009
本文编号：3498448
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