处理带乘性噪声星敏感器/陀螺系统的UKF算法研究

摘要

姿态确定系统是卫星姿态控制系统中的重要组成部分,星敏感器与陀螺组合定姿是实现高精度姿态确定的常用组合,在卫星的姿态确定系统中已得到了广泛的应用.为提高星敏感器与陀螺的组合定姿精度,国内外许多学者对此做过大量的研究,但他们的研究一般没有考虑到星敏感器模型中带乘性噪声的情况.针对典型的星敏感器与陀螺组成的卫星姿态确定系统,本文考虑存在基准误差等乘性噪声的影响,基于降阶误差四元数理论建立了系统的状态方程及带乘性噪声的观测方程,讨论了扩维无迹卡尔曼滤波(AUKF)算法.该算法通过对状态变量扩维,把乘性噪声引入到采样点中,使得在状态预测和更新过程中,乘性噪声的影响得以在非线性系统中进行传递和估计,使得滤波值更好地接近真实值.本文的主要研究工作如下:
　　 一、星敏感器基准误差研究:分析了由于抖动或振动等因素的影响导致的星敏感器基准误差,并推导了其在星敏感器测量模型中的表现形式.
　　 二、卫星姿态确定系统建模研究:全面且系统地总结了欧拉角及四元素等姿态描述法,建立了基于误差四元数和欧拉角的卫星姿态运动模型;针对典型的星敏感器与陀螺组成的卫星姿态确定系统.结合姿态运动模型和陀螺模型建立了系统状态方程;考虑星敏感器模型存在基准误差的情况,建立了引入基准误差后带乘性噪声的星敏感器观测方程.
　　 三、带乘性噪声非线性系统的算法研究:针对带乘性噪声的星敏感器/陀螺组合定姿系统,提出了一种适于处理带乘性噪声非线性系统的扩维无迹卡尔曼滤波算法(AUKF).大量仿真实验证明,对比不对乘性噪声进行处理的UKF算法,该算法能有效提高系统定姿精度,具有较好的定姿效果.

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景与目的

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要内容及贡献

第2章 星敏感器/陀螺配置下卫星定姿基础

2.1 引言

2.2 姿态敏感器简介及典型姿态系统配置

2.3 参考坐标系的选择及坐标变换

2.4 姿态描述法与卫星姿态运动学方程

2.5 姿态确定过程

2.6 本章小结

第3章 带乘性噪声星敏感器/陀螺定姿模型

3.1 引言

3.2 姿态敏感器模型

3.3 误差四元数的推导

3.4 姿态确定滤波器模型的建立

3.5 本章小结

第4章 对乘性噪声扩维的UKF算法

4.1 引言

4.2 UT变换

4.3 对乘性噪声扩维的UKF算法

4.4 本章小结

第5章 算法的仿真实验

5.1 姿态确定算法过程

5.2 仿真条件

5.3 仿真结果及分析

结论

参考文献

致谢