基于多敏感器的卫星在轨高精度姿态确定技术研究

摘要

随着航天技术的发展，对于卫星执行的任务提出了更高的要求。想要出色地完成这些任务，就需要提高卫星姿态确定系统的精度。
　　卫星姿态确定系统主要包括敏感器以及对应的姿态确定算法，而高精度的姿态确定系统通常选取星敏感器以及陀螺作为主要的姿态敏感器。由于在发射过程中的振荡因素以及实际在轨运行过程中的环境因素，星敏感器以及陀螺的诸多参数与在地面标定的参数产生偏差，这对实际在轨姿态确定的精度带来不少影响。因此，在姿态确定过程中需要对敏感器的标定多加关注。此外，姿态确定系统中存在多种姿态确定算法，不同的算法之间也各有差异。因此，姿态确定算法的选取对于姿态确定系统的精度也会造成影响。
　　文章以双星敏/陀螺组合姿态系统作为主要研究对象，对其中的姿态测量敏感器的主要参数进行标定，从而抑制误差在姿态确定系统中的传播。同时利用姿态确定算法对姿态确定精度作进一步提升。此外，针对星敏感器的使用性作初步分析，避免杂光干扰对星敏感器精度造成的影响。
　　首先，对于本文在姿态确定以及模型建立中选取的主要坐标系、姿态描述形式和默认参数的规定进行阐述。然后对系统的姿态敏感器进行模型建立，同时对其中的主要误差进行基本分析。
　　其次，针对星敏感器的光学系统误差进行标定，星敏感器作为星上高精度的姿态敏感器，提高星敏感器的精度对姿态确定系统姿态精度的提高尤为重要。对星敏感器模型中的主要参数的成因以及表述形式进行了分析。针对模型中的主要参数，基于星对角距不变原理对参数进行标定，同时进行仿真验证。针对陀螺模型中的常值漂移、安装误差以及刻度因子误差进行了标定。陀螺作为连续角速度输出的敏感器，其精度也对姿态确定系统产生影响。结合最小二乘法以及滤波方法，对陀螺参数进行了标定，同时进行算法仿真验证。
　　之后，对星敏感器/陀螺姿态确定算法进行了研究。对状态估计法中的EKF以及UKF算法进行了详细介绍，同时针对姿态确定流程进行了设计。通过多组仿真算例，对两种算法的精度以及计算效率进行了分析比对。
　　最后，以双星敏/陀螺组合系统作为研究对象，针对双星敏/陀螺组合姿态确定算法进行了探究，设计了一种基于联邦滤波器的双星敏/陀螺姿态确定算法。针对星敏感器可能受到的环境影响进行了建模，建立了实际系统中星敏感器使用的基本原则。然后考虑上述各项因素，对整个系统的总体流程进行了设计，确立了各个部分之间的相互关系以及计算顺序，利用实际卫星大角度机动算例对其进行了验证。