基于GPS的航天器姿态确定研究

摘要

航天器的姿态信息是导航系统中的重要参数，利用载波相位观测量对其姿态进行测量是GPS应用的一个新领域。GPS测量姿态不仅成本低、精度较高、没有误差累积和视场的盲点，还具有定轨定姿一体化等优势而日益成为导航领域研究的热点。本文以GPS定姿为研究对象，分析了 GPS定姿的基本原理，研究了通过LAMBDA方法求解整周模糊度的过程，建立起基于误差四元数的载波相位差分观测方程，最后采用扩展卡尔曼滤波对其算法的有效性和精度进行了分析。论文研究的主要内容包括：
　　第一，阐述了两种描述卫星运动姿态的方法及它们之间的联系和区别，定义了研究卫星运动的几种坐标系，采用四元数方法建立了卫星姿态运动学方程和动力学方程。接着介绍了GPS系统的构成，建立起基于GPS观测量的伪距和载波相位差分观测方程，并对双频载波相位观测值的线性组合及应用特点进行了分析。
　　第二，研究了GPS整周模糊度解算的LAMBDA算法。首先，通过对GPS动态载波相位测量的研究引出了整周模糊度的概念，并介绍了一些模糊度解算的方法；其次，介绍了最小二乘估计，讨论了加权最小二乘在估计GPS整周模糊度中的应用；然后从整数最小二乘估计、模糊度搜索空间、双差模糊度去相关处理、模糊度搜索以及模糊度检验等五个方面对LAMBDA算法进行描述；最后通过随机构造所需数据，对整周模糊度的求解过程进行仿真验证，并从去相关的角度对LAMBDA算法进行评析。
　　第三，介绍了扩展卡尔曼滤波原理，并对GPS接收机天线的布局及影响定姿精度的因素进行了分析。接着阐述利用GPS载波进行姿态确定的原理，在此基础上建立误差四元数模型，状态方程及载波相位差分观测方程，设计一种PD控制器对整个系统进行闭环仿真，通过改变测量噪声幅值大小进行三组对比仿真验证，说明基于GPS载波相位进行姿态确定的方法是有效的，整个定姿算法具有一定的鲁棒性。

目录

基于 GPS 的航天器姿态确定研究

STUDY ON ATTITUDE DETERMINATION OF SPACECRAFT BASED ON GPS

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 卫星姿态描述和GPS载波相位测量技术

2.1 引言

2.2 坐标系

2.3 卫星姿态描述

2.4 卫星运动方程

2.5 GPS系统结构

2.6 GPS观测方程

2.7 本章小结

第3章 GPS载波相位整周模糊度解算方法

3.1 引言

3.2 GPS载波相位整周模糊度

3.3 最小二乘估计

3.4 模糊度解算的LAMBDA算法

3.5 LAMBDA算法的仿真验证

3.6 本章小结

第4章 GPS姿态确定的扩展卡尔曼滤波算法研究

4.1 引言

4.2 GPS姿态确定方案设计

4.3 扩展Kalman滤波原理

4.4 影响定姿精度的误差分析

4.5 基于误差四元数的姿态估计

4.6 仿真验证

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢