星敏感器陀螺姿态确定系统在轨标定研究

摘要

姿态敏感器在轨标定本质上是实时地消除各种因素所致的系统性姿态误差，随着航天任务对姿态精度需求逐渐提高，在轨标定应用将越来越广泛。本文以星敏感器、陀螺组成的姿态确定系统为基本研究对象，对星敏感器在轨标定和姿态敏感器安装标定进行研究。
　　本研究主要内容包括：⑴针对星敏感器成像过程中成像参数漂移造成星敏姿态输出具有系统性误差的问题，本文使用与航天器自身姿态无关的星角距不变原则对包括星敏感器像平面主点偏移、焦距偏差和镜头畸变在内的星敏感器主要成像参数进行了标定指标函数的建立，并对使用遗传算法对指标函数进行求解进行研究。⑵在传统的Shuster提出的测量方差基础上，进一步在机理上提出了两种可能的方差形式----光锥方差和镜头畸变方差，相应给出了方差的影响方式。⑶针对星敏感器在航天器姿态机动过程中出现姿态信息输出延迟和姿态方差增大问题，进行了机理建模和补偿方法的研究，并基于Kalman滤波方法对上述问题作出修正。⑷针对星敏感器、陀螺组成的姿态确定系统在轨安装标定，为了真正实现确定航天器关键部件姿态，引入可以给出有效姿态信息的光学有效载荷，实现绝对安装方位标定。进行姿态敏感器间安装参数建模，以星敏感器为标定基准敏感器，建立陀螺、光学有效载荷相对星敏感器的相对安装参数矩阵，使得星敏感器、陀螺等姿态敏感器输出的姿态信息直接与航天器有效载荷关联，进而保证姿态确定的直接、有效性。在建立标定模型的基础上，依据不同需求进行了标准EKF、偏差隐式EKF、偏差显式EKF和UKF算法应用在安装标定领域的研究。⑸针对姿态敏感器安装参数标定中系统维数大、计算量重的问题，基于线性分段常值方法、李导数秩条件、奇异值分解等可观性分析方法，以标准状态EKF为例进行可观性分析，并基于可观性分析对标定系统进行降维研究。

目录

星敏感器陀螺姿态确定系统在轨标定研究

RESEARCH ON IN-ORBITCALIBRATION METHODS FOR STARTRACKER-GYRO ATTITUDEDETERMINATION SYSTEM

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 航天器姿态确定研究现状

1.2.2 姿态敏感器在轨标定研究现状

1.3 论文主要内容

第 2 章 姿态确定及敏感器标定基础

2.1 引言

2.2 姿态参数

2.2.1 四元数

2.2.2 欧拉角

2.2.3 欧拉轴角

2.3 卡尔曼滤波基本理论

2.4 遗传算法

2.5 摄像测量系统原理综述

2.5.1 针孔成像模型

2.5.2 透镜成像模型

2.5.3 星敏感器成像模型

2.6 本章小结

第 3 章 星敏感器在轨标定研究

3.1 引言

3.2 星敏感器成像标定

3.2.1 星敏感器成像参数标定模型

3.2.2 标定方法

3.3 星敏感器测量方差

3.3.1 星敏感器镜头畸变方差

3.3.2 光锥误差

3.3.3 方差传播

3.4 星敏感器星矢视位置修正

3.4.1 引力透镜效应

3.4.2 光行差效应

3.5 星敏感器快速旋转中输出延迟及方差恶化问题

3.6 仿真验证及结果分析

3.6.1 星敏感器成像参数标定

3.6.2 光矢修正仿真

3.6.3 星敏感器延迟和方差修正

3.7 本章小结

第 4 章 基于星敏感器和陀螺姿态确定系统在轨安装标定

4.1 引言

4.2 敏感器模型

4.2.1 陀螺测量模型

4.2.2 星敏感器安装矩阵标定模型

4.2.3 载荷测量模型

4.3 滤波器设计

4.3.1 标准全状态EKF

4.3.2 隐式偏差 EKF

4.3.3 显式偏差EKF

4.3.4 UKF卡尔曼滤波器

4.3.5 滤波方法对比

4.4 系统标定流程

4.5 数值仿真验证

4.5.1 仿真初始条件

4.5.2 仿真结果及分析

4.6 本章小结

第 5 章 基于可观性分析的系统改进

5.1 引言

5.2 可观性分析方法

5.2.1 分段定常处理方法

5.2.2 基于李导数的可观测秩条件

5.2.3 基于奇异值分解（svd）的可观性分析

5.3 基于可观性分析的系统降阶

5.3.1 x轴机动标定

5.3.2 y 轴机动标定

5.3.3 z 轴机动标定

5.4 仿真验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录 A 附录

A.1 偏差四元数运动学方程的推导

A.2 偏差状态 EKF 姿态确定 Kalman 滤波实现

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢