微小衛(wèi)星及其編隊軌道與姿態(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。對于成本和重量有嚴格限制的微小衛(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、改善衛(wèi)星軌道與姿態(tài)確定的精度,進而提高微小衛(wèi)星功能密度,已成為當前航天領域的熱點和難點問題。本學位論文以微小衛(wèi)星及其編隊軌道與姿態(tài)等狀態(tài)確定為研究背景,對單星自主狀態(tài)確定、衛(wèi)星編隊相對/絕對狀態(tài)估計等相關問題進行深入研究,具體內容如下:
　　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)獨立確定方法基礎上，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計魯棒卡爾曼濾波算法,通過自適應調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)耦合動力學模型和敏感器測量模型的基礎上，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致濾波維數(shù)增加,進而導致計算量過大的問題,引入長短周

4、期不同時刻點分別采用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衛(wèi)星相對位置與姿態(tài)一體化確定方法。針對應用中由于待估計特征點與質心不重合等問題,建立考慮特征點質心偏移的相對運動狀態(tài)方程,設計了基于乘性四元數(shù)的UKF算法,提出了考慮非質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)星編隊相對狀態(tài)估計系統(tǒng)的設計及應用奠定基礎。
　　針對具有磁強計、陀螺及視覺敏感器等配置的編隊成員衛(wèi)星絕對軌道與姿態(tài)確定問題,在基于磁強計/陀螺的姿軌一體化確定算法和基于視覺測量的編隊相對狀態(tài)一體化確定算法的基礎上，設計聯(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衛(wèi)星絕對軌道與姿態(tài)一體化確定方法。在保證高精