基于联邦滤波的飞行器姿态确定算法研究

摘要

为确保飞行器在轨飞行任务的顺利完成，进一步提高飞行器姿态控制系统的可靠性和精度，需要对多传感器联邦滤波算法的理论与应用进行深入研究。本文针对配置有多冗余敏感器的飞行器姿态控制系统，在敏感器无故障、姿态角敏感器故障以及姿态角速度敏感器故障三种情况下，对多敏感器信息融合联邦滤波算法进行深入研究，以提高飞行器姿态控制系统的容错性能和精度。本文具体研究内容包括：
　　根据飞行器姿态控制系统中敏感器的配置，建立各种敏感器的测量模型；结合联邦滤波基本原理，设计联邦滤波器的结构，并基于飞行器姿态运动学方程，建立联邦滤波系统方程，设计联邦滤波算法；针对近几年一些学者较为关注的联邦滤波器信息分享系数确定问题进行深入研究，通过理论分析和仿真验证研究信息分享系数选取的不同分别对子滤波器和主滤波器的影响。
　　研究在某一姿态角敏感器发生难于及时检测的渐变式“软故障”的情况下联邦滤波器信息融合策略。首先理论推导出在某一姿态角敏感器故障，引起相应的子滤波器故障情况下，信息分享系数选取的不同，对未发生故障子滤波器受污染程度的影响；其次基于信息分享系数选取对未发生故障滤波器污染程度的影响分析，提出一种基于故障先验知识的联邦滤波器鲁棒信息分享系数分配方法，以减小在渐变式“软故障”在未被检测出来之前，故障子滤波器对无故障子滤波器的影响，从而为故障检测并隔离后，快速重构带来了有利条件。
　　研究在姿态角速率敏感器陀螺失效情况下联邦滤波器信息融合策略。在陀螺失效情况下，联邦滤波器失去基准无法正常工作，此时采用前两步姿态角预测结果差分来近似代替姿态角速率，从而使联邦滤波器可以正常工作，同时由于姿态角速率测量的缺失，无法使用常规的PID控制方法对飞行器姿态进行控制，因此本文以角动量守恒为前提研究了一种基于角动量控制飞行器姿态控制方法。
　　理论分析和仿真验证表明联邦滤波器可以提高姿态确定精度，对信息分享系数进行合理的选取，可以实现降低未发生故障子滤波器的受污染程度，并且利用改进后的联邦滤波器和基于角动量的控制可以实现航天器降级工作要求。

目录

基于联邦滤波的飞行器姿态确定算法研究

RESEARCH ON SPACECRAFT ATTITUDE DETERMINATION ALGORITHMBASED ON FEDERAL FILTER

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.2 信息融合与滤波估计理论的国内外研究现状

1.2.1 融合结构分类

1.2.2 滤波估计理论概述

1.2.3 滤波估计理论研究进展

1.3 论文的主要内容

第2章 飞行器姿态确定与控制基础

2.1 引言

2.2 飞行器姿态运动学与动力学基础

2.2.1 坐标系定义

2.2.2 飞行器姿态运动学

2.2.3 飞行器姿态动力学

2.3 姿态敏感器建模

2.3.1 陀螺测量模型

2.3.2 红外地平仪测量模型

2.3.3 数字式太阳敏感器测量模型

2.3.4 差分GPS敏感器测量模型

2.4 执行机构建模

2.5 干扰力矩建模

2.6 联邦滤波算法

2.7 联邦滤波器结构

2.8 本章小结

第3章 基于联邦滤波算法的飞行器姿态确定

3.1 引言

3.2 系统模型的建立

3.2.1 公共系统模型

3.2.2 子系统模型

3.3 系统滤波器设计

3.4 信息分享系数对滤波精度的影响分析

3.4.1 对主滤波器精度的影响分析

3.4.2 对子滤波器精度的影响分析

3.5 仿真验证与结果分析

3.5.1 仿真参数

3.5.2 仿真结果与分析

3.6 本章小结

第4章 姿态角敏感器故障模式下的联邦滤波

4.1 引言

4.2 姿态角敏感器故障影响建模

4.3 姿态角敏感器故障分析

4.4 信息分配策略

4.4.1 常用信息分配策略

4.4.2 鲁棒信息分配策略

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

第5章 陀螺故障模式下联邦滤波器的融合控制

5.1 引言

5.2 角动量反馈控制器设计

5.3 无陀螺姿态确定系统模型建立

5.3.1 公共系统模型

5.3.2 子系统模型

5.4 仿真验证

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢