敏捷卫星高精度姿态测量方法研究

摘要

敏捷卫星是集姿态敏捷控制技术、高精度成像技术和快速响应控制技术于一体的卫星，具备姿态快速机动能力、灵活对地指向能力和机动过程中保持稳定的能力。敏捷卫星对姿态和轨道测量精度要求较高，考虑到现有卫星定姿多以星敏感器作为主要测量元件，而星图识别星敏感器实现高精度姿态测量的核心技术，而传统方法难以较好满足敏捷机动的需要，因此有必要开展敏捷机动过程中星图快速识别方法的研究。另外，针对敏捷卫星的快速机动特点，提出多敏感器信息融合的姿态确定算法，提高定姿精度。主要对如下内容进行研究：
　　首先建立敏捷卫星姿态确定和姿态控制的基础模型，对常用的坐标系进行了定义，同时定义了卫星姿态的描述。在运动学和动力学模型基础上研究敏捷卫星快速机动对姿态敏感元件和姿态确定算法精度的影响。研究表明，在卫星姿态机动条件下陀螺仪漂移误差增大，星敏感器星点成像过程产生像差，星图识别成功率会有所降低，同时姿态的快速变化也会导致姿态确定算法估算精度受到影响。
　　其次研究星敏感器中的核心技术，即星图识别技术，分析现有算法存在的缺陷，提出一种基于模式识别思想的改进算法。首先总结了星点特征提取的准则和方法，然后针对敏捷卫星对星图识别快速性和准确性的要求，提出一种新的特征提取模式，为全天球范围内的恒星建立对应该星的特征向量并存储在导航星表中，同时引入P向量的思想，将所有导航星的特征向量投影到一条最佳投影主轴上，得到投影值存储在导航星表中，最后根据姿态快速机动对星敏感器成像过程的影响，在星图识别初始阶段引入星点像移补偿模型，提高星点提取精度。在全天球范围内随机生成模拟星图对算法进行验证，结果表明提出的星图识别算法可满足敏捷卫星对快速性的要求，同时对位置噪声、星等噪声具有较强的鲁棒性，对挠性部件的振动也具有较强的抗干扰能力。
　　最后，研究基于多敏感器信息融合的姿态确定算法，利用星敏感器测量信息和陀螺仪测量信息进行相互补偿和融合，对姿态快速机动条件下的星敏感器量测模型和陀螺仪量测模型进行了重新推导，根据快速机动对姿态确定算法的影响，分析了EKF滤波算法在进行卫星姿态估计中存在的问题，EKF对系统的线性化会在敏捷卫星姿态快速变化的情况下引入较大误差，因而针对该问题提出了改进的NPF-EKF滤波算法，算法对系统模型近似引入的误差进行实时估计，提高了姿态估计的准确性，仿真结果证明NPF-EKF的姿态估计精度满足要求，同时具有较好的收敛性，适用于敏捷卫星快速机动工作模式当中。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2课题研究的目的和意义

1.3研究现状分析

1.4课题主要研究内容及结构安排

第2章 基础知识

2.1 常用坐标系定义

2.2 姿态更新方法

2.3 卫星姿态动力学

2.4 本章小结

第3章 敏捷卫星快速机动影响分析

3.1 敏捷卫星快速机动的特点

3.2 敏捷卫星快速机动过程对敏感器影响分析

3.3 敏捷卫星快速机动过程对姿态确定影响分析

3.4本章小结

第4章 基于模式识别的改进星图识别算法

4.1观测星特征提取

4.2星下数据库存储

4.3星模式匹配识别

4.4仿真验证与结果分析

4.5本章小结

第5章 多敏感器融合的姿态确定方法研究

5.1 多敏感器组合定姿方案设计

5.2 星敏感器测量模型

5.3 陀螺测量模型

5.4 EKF滤波算法研究

5.5 改进EKF滤波算法研究

5.6仿真验证

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢