星敏感器在轨标定算法研究

摘要

在轨标定是高精度卫星姿态确定与控制系统的重要组成部分；在阐述卫星运动姿态的描述方法、姿态运动学及最小二乘算法、卡尔曼滤波等理论知识的基础上，分析了星敏感器的测量原理与误差源，研究了星敏感器在轨标定的实现原理，针对不同基准，对星敏感器系统常值误差设计了多种在轨标定算法，并进行了仿真验证。本文具体研究工作主要包括以下四部分：研究了利用高精度陀螺对星敏感器误差在轨标定方法。采用高精度陀螺，利用陀螺作为星体的姿态参考可以连续提供星体的三轴姿态角速度信息，积分得到相应的姿态角特性，结合卫星姿态运动学方程，基于卡尔曼滤波算法，针对星敏感器的常值误差和测量噪声，设计了星敏感器在轨标定模型，以确保姿态测量元件在轨工作精度。针对该算法进行了数学仿真。针对星敏感器在轨测量的星像点偏移和星敏感器光学透镜焦距变化进行了自主在轨标定算法研究。星敏感器几何参数一般在发射前在实验室进行了标定，但是由于强加速度和太阳辐照热影响等因素会使其发生变化。故星敏感器自主在轨标定也是很重要的。利用星敏感器的量测量，应用卡尔曼滤波算法，设计了星敏感器在轨自主独立标定模型，并进行了数学仿真。基于陆标敏感器针对星敏感器系统常值误差进行了在轨标定算法研究。利用陆标敏感器经图像匹配识别得到的一系列特征点坐标，与基准图像相应特征点坐标经过比较，将最小二乘最优估计值作为量测，应用卡尔曼滤波算法，设计了星敏感器在轨标定模型，然后进行了数学仿真。基于卫星天基有效载荷对星敏感器系统常值误差进行了在轨标定算法研究。利用天基载荷对目标恒星成像，设计了最小二乘算法，卡尔曼滤波算法以及用最小二乘估计值作为卡尔曼滤波量测量设计了新滤波算法对星敏感器进行在轨标定，最后进行了数学仿真并对算法进行了比较分析。仿真结果均验证了算法的有效性、准确性，可以准确在轨标定星敏感器的系统常值误差。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 姿态确定国外研究现状

1.2.2 姿态确定国内研究现状

1.2.3 卫星姿态控制系统应用国内外研究现状

1.3 在轨标定技术国内外研究现状

1.3.1 在轨标定技术国外研究现状

1.3.2 在轨标定技术国内研究现状

1.4 论文研究的主要内容

第2章 姿态描述与姿态运动学理论

2.1 引言

2.2 坐标系

2.3 卫星姿态描述

2.3.1 欧拉角

2.3.2 四元数

2.4 卫星运动方程

2.4.1 卫星姿态运动学方程

2.4.2 卫星姿态动力学方程

2.5 本章小结

第3章 利用高精度陀螺对星敏感器在轨标定算法

3.1 引言

3.2 陀螺国内外研究现状

3.3 惯性基准的测量原理

3.4 星光/陀螺模式姿态确定系统

3.4.1 姿态确定系统的组成

3.4.2 姿态估计器实现框图

3.5 星敏感器在轨标定算法研究

3.5.1 星体姿态运动学方程

3.5.2 星敏感器测量模型

3.5.3 滤波器设计

3.6 仿真算例及其结果分析

3.7 本章小结

第4章 星敏感器自主在轨标定算法研究

4.1 引言

4.2 自主在轨标定意义

4.3 星敏感器工作原理

4.4 星敏感器在轨测量模型

4.5 星敏感器自主在轨标定模型

4.6 仿真研究

4.6.1 仿真参数

4.6.2 仿真结果及分析

4.7 本章小结

第5章 基于陆标敏感器对星敏感器在轨标定算法

5.1 引言

5.2 星敏感器在轨标定原理

5.2.1 陆标敏感器基本组成

5.2.2 陆标敏感器工作原理

5.3 星敏感器在轨标定算法

5.3.1 偏航角的标定

5.3.2 滚动角和俯仰角的确定

5.4 仿真研究

5.4.1 仿真参数

5.4.2 仿真结果及分析

5.5 本章小结

第6章 天基载荷对星敏感器在轨标定算法研究

6.1 引言

6.2 天基载荷在轨标定星敏感器原理

6.2.1 滚动、俯仰通道的标定

6.2.2 偏航通道的标定

6.3 滤波算法研究

6.3.1 在轨标定的最小二乘算法

6.3.2 在轨标定的卡尔曼及新滤波算法

6.4 仿真研究

6.4.1 仿真参数

6.4.2 仿真结果及分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢