基于恒星和地心矢量观测的微小卫星定姿方案及算法研究

摘要

现代微小卫星以低廉的成本、快速灵活的特点以及快速验证新技术的能力，在各个国家正越来越受到重视。本文以三轴稳定的微小卫星为研究对象，展开了对微小卫星姿态确定算法的研究。主要内容包括以下几个方面： 针对两类不同的微小卫星，提出了两种姿态确定方案：(1)陀螺/星敏感器组合配置，该配置适合质量相对较大的、具有高精度姿态需求的微小卫星；(2)磁强计/地球敏感器组合的无陀螺配置，该方案适合质量相对较小、低成本的微小卫星。同时利用扩展卡尔曼滤波(EKF)对两种方案展开研究，针对方案(1)研究了基于四元数的姿态确定算法，针对方案(2)研究了分别基于四元数和修正罗德里格参数的姿态确定算法，最后通过仿真验证了这些算法的有效性。 为提高陀螺/星敏感器配置的姿态确定精度，首先研究了对星敏感器输出延时进行补偿的方法；其次，对星载陀螺误差进行建模，并利用EKF实现了在机动条件下对陀螺误差的实时标定，提高了姿态确定精度。最后仿真验证了这两种方法的有效性。 针对方案(2)具有较强非线性的特点和EKF具有较大线性化误差的不足，首先引入更适合于非线性系统的平淡卡尔曼滤波(UKF)，研究了基于UKF的姿态确定算法，其次，为提高非高斯噪声条件下的定姿精度，研究了利用粒子滤波(PF)进行姿态确定的算法。最后，通过仿真验证了这两种算法的优越性。 结合方案(1)的定姿原理，以VxWorks和PC104为软硬件环境，实现了陀螺/星敏感器组合姿态确定算法，搭建了陀螺/星敏感器组合姿态确定仿真系统，并利用该系统对实现的算法的可行性进行了验证。