微小衛(wèi)星及其編隊(duì)軌道與姿態(tài)一體化確定方法研究.pdf

1、自主狀態(tài)確定是衛(wèi)星控制的基本前提和基礎(chǔ)。對于成本和重量有嚴(yán)格限制的微小衛(wèi)星,星上敏感器資源及其性能往往有限,如何充分利用有限的敏感器資源、完成自主狀態(tài)確定任務(wù)、改善衛(wèi)星軌道與姿態(tài)確定的精度,進(jìn)而提高微小衛(wèi)星功能密度,已成為當(dāng)前航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本學(xué)位論文以微小衛(wèi)星及其編隊(duì)軌道與姿態(tài)等狀態(tài)確定為研究背景,對單星自主狀態(tài)確定、衛(wèi)星編隊(duì)相對/絕對狀態(tài)估計等相關(guān)問題進(jìn)行深入研究,具體內(nèi)容如下:
　　為充分利用地磁場測量數(shù)據(jù)中包含的

2、軌道與姿態(tài)信息,在基于地磁場測量的衛(wèi)星軌道與姿態(tài)獨(dú)立確定方法基礎(chǔ)上，采用軌道與姿態(tài)確定串并聯(lián)混合的耦合確定模式,提出了基于磁強(qiáng)計的衛(wèi)星軌道與姿態(tài)耦合確定方法。該方法在初始誤差較大時采用先定軌后定姿的串聯(lián)模式確保系統(tǒng)收斂性,待串聯(lián)策略收斂后采用基于地磁場矢量的姿軌并聯(lián)確定模式提高系統(tǒng)估計精度,同時基于新息序列設(shè)計魯棒卡爾曼濾波算法,通過自適應(yīng)調(diào)整濾波器的增益矩陣來降低軌道與姿態(tài)耦合確定時濾波誤差的相互影響。仿真結(jié)果表明了該方法在提高系統(tǒng)魯

3、棒性和估計精度等方面的有效性。
　　考慮衛(wèi)星在軌運(yùn)動以及敏感器測量等方面軌道與姿態(tài)相互耦合的特性,在建立衛(wèi)星軌道與姿態(tài)耦合動力學(xué)模型和敏感器測量模型的基礎(chǔ)上，提出了基于多速率濾波算法的衛(wèi)星軌道與姿態(tài)一體化確定方法,并采用局部可觀測性理論以及可觀測性矩陣條件數(shù)和奇異值分解等對系統(tǒng)的可觀測性及可觀測度進(jìn)行分析,從理論方面論述了軌道姿態(tài)一體化確定的可行性。為避免由于采用一體化確定模式導(dǎo)致濾波維數(shù)增加,進(jìn)而導(dǎo)致計算量過大的問題,引入長短周

4、期不同時刻點(diǎn)分別采用Schmidt-EKF和統(tǒng)一濾波算法的多速率濾波思想,在保證確定精度的前提下有效地降低了計算量。
　　針對從星上敏感器測量主星上多個點(diǎn)光源方向矢量的測量模式,提出了基于高斯二階卡爾曼濾波算法的編隊(duì)衛(wèi)星相對位置與姿態(tài)一體化確定方法。針對應(yīng)用中由于待估計特征點(diǎn)與質(zhì)心不重合等問題,建立考慮特征點(diǎn)質(zhì)心偏移的相對運(yùn)動狀態(tài)方程,設(shè)計了基于乘性四元數(shù)的UKF算法,提出了考慮非質(zhì)心影響的相對位置與姿態(tài)估計方法,并采用Fishe

5、r信息矩陣和誤差方差矩陣的跡分析了星間相對距離、點(diǎn)光源數(shù)目及其分布情況等對估計精度的影響。為基于視覺的衛(wèi)星編隊(duì)相對狀態(tài)估計系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　針對具有磁強(qiáng)計、陀螺及視覺敏感器等配置的編隊(duì)成員衛(wèi)星絕對軌道與姿態(tài)確定問題,在基于磁強(qiáng)計/陀螺的姿軌一體化確定算法和基于視覺測量的編隊(duì)相對狀態(tài)一體化確定算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計聯(lián)邦濾波和兩步濾波兩種分散式濾波算法,提出了考慮相對測量信息的編隊(duì)衛(wèi)星絕對軌道與姿態(tài)一體化確定方法。在保證高精