卫星高精度姿态确定算法及仿真技术研究

发布时间：2017-09-13 05:11

  本文关键词：卫星高精度姿态确定算法及仿真技术研究

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【摘要】：卫星姿态确定是卫星姿态控制的基础,也是实现卫星功能的前提。目前航天任务对姿态确定系统的精度要求越来越高,作为姿态确定系统的重要组成部分,姿态敏感器和定姿算法的精度综合决定了姿态确定的指向精度。卫星一旦发射将难以维修,特殊的运行环境使其地面仿真具有重要的意义。因此,本文针对卫星高精度姿态确定算法及仿真技术的研究具有重要的研究价值和意义。首先系统总结了国内外在姿态确定领域的研究现状,选择目前主流的“陀螺+星敏感器”的卫星姿态确定配置方案。分析了卫星姿态确定中几种常用的空间坐标系和姿态描述方法,建立了姿态参数对应的运动学方程,分析了所用姿态量测仪器的工作原理。然后基于偏差四元数,研究了基于EKF的卫星高精度姿态确定算法。分析了EKF的原理,设计了联合定姿的数学仿真平台,并进行了数学仿真,结合试验数据,分析了卫星姿态确定的精度指标体系。其次,研究了基于UKF、PF和CKF的卫星姿态确定的非线性滤波算法,分析了UKF、PF、CKF的工作原理,并进行了仿真试验分析,总结了各算法的精度和应用中的特点。最后,研究了基于三轴气浮台的卫星高精度姿态确定仿真系统的设计与实现问题。搭建地面全物理仿真试验平台,通过各仪器设备对气浮台的量测,完成对卫星姿态确定的模拟。在理论研究的基础上,完成联合定姿、EKF/UKF/PF/CKF定姿等多项试验,验证卫星高精度姿态确定仿真系统的正确性和可行性。
【关键词】：高精度姿态确定 扩展卡尔曼滤波 非线性滤波 三轴气浮台 物理仿真
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义9
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析9-14
• 1.2.1 卫星姿态确定系统研究现状9-11
• 1.2.2 卫星姿态确定算法研究现状11-14
• 1.3 主要研究内容14-16
• 第2章 卫星姿态确定理论基础16-25
• 2.1 坐标系16-17
• 2.1.1 地心赤道惯性坐标系16
• 2.1.2 轨道坐标系16
• 2.1.3 本体坐标系16
• 2.1.4 陀螺量测坐标系16-17
• 2.1.5 星敏感器量测坐标系17
• 2.2 姿态参数17-22
• 2.2.1 方向余弦矩阵17-18
• 2.2.2 欧拉角18-19
• 2.2.3 欧拉四元数19-21
• 2.2.4 罗德里格斯参数21-22
• 2.3 姿态运动学方程22-23
• 2.3.1 欧拉角的运动学方程22-23
• 2.3.3 欧拉四元数下的运动学方程23
• 2.3.4 MRPs下的运动学方程23
• 2.4 姿态敏感器23-24
• 2.4.1 陀螺23-24
• 2.4.2 星敏感器24
• 2.5 姿态确定配置方案24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 基于EKF的卫星姿态确定算法25-39
• 3.1 卡尔曼滤波算法25-26
• 3.2 扩展卡尔曼滤波算法26-28
• 3.3 基于EKF的姿态确定算法28-32
• 3.3.1 偏差四元数28
• 3.3.2 状态方程28-31
• 3.3.3 量测方程31-32
• 3.4 数学仿真32-38
• 3.4.1 仿真条件32-33
• 3.4.2 平台搭建33-34
• 3.4.3 仿真结果34-36
• 3.4.4 精度指标体系36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 基于非线性滤波的卫星姿态确定算法39-53
• 4.1 无迹卡尔曼滤波39-44
• 4.1.1 UT变换39-40
• 4.1.2 时间传播40-41
• 4.1.3 量测更新41-42
• 4.1.4 基于UKF的姿态确定算法42
• 4.1.5 基于UKF的数学仿真42-44
• 4.2 粒子滤波44-49
• 4.2.1 递推贝叶斯滤波44-45
• 4.2.2 序贯重要性采样45-47
• 4.2.3 重采样47
• 4.2.4 标准粒子滤波算法47-48
• 4.2.5 基于PF的姿态确定算法48
• 4.2.6 基于PF的数学仿真48-49
• 4.3 容积卡尔曼滤波49-52
• 4.3.1 构造容积点49-50
• 4.3.2 时间传播50
• 4.3.3 量测更新50-51
• 4.3.4 基于CKF的姿态确定算法51
• 4.3.5 基于CKF的数学仿真51-52
• 4.4 精度分析52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 卫星高精度姿态确定仿真系统设计与实现53-67
• 5.1 卫星高精度姿态确定仿真系统总体方案设计53-54
• 5.2 卫星高精度姿态确定仿真系统实现54-57
• 5.2.1 坐标系54-56
• 5.2.2 陀螺56
• 5.2.3 激光跟踪仪56-57
• 5.2.4 光电自准直仪57
• 5.3 卫星高精度姿态确定仿真系统姿态确定方案57-59
• 5.3.1 联合姿态确定方案57-58
• 5.3.2 基于非线性滤波的姿态确定方案58-59
• 5.4 卫星高精度姿态确定全物理仿真试验59-66
• 5.4.1 联合姿态确定试验59-64
• 5.4.2 基于非线性滤波的姿态确定试验64-66
• 5.5 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果72-74
• 致谢74

【参考文献】

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1 张红梅,邓正隆,林玉荣;一种基于模型误差预测的UKF方法[J];航空学报;2004年06期

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本文编号：841707