低轨纳卫星质量矩姿态控制技术研究

针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.      

ATTITUDE CONTROL TECHNOLOGY FOR MASS MOMENT NANO-SATELLITE IN LOW EARTH ORBIT 1)

针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.     

基于自适应遗传算法的三轴磁强计校准（英文）

针对MEMS磁强计的精度无法满足姿态测量系统的航向角测量要求,对磁强计的误差来源进行了模型化分析,设计了一种基于自适应遗传算法的空间椭球磁强计校准方法。首先,采取自适应遗传算法,对磁强计测量的原始数据进行空间椭球的拟合,用估计的参数进行刻度系数、软磁干扰、硬磁干扰与零位偏置的综合误差补偿。其次,利用最小二乘法求解出非正交轴的方向余弦,进行非正交误差和安装误差的补偿。最后,将该方法应用到某姿态测量系统中,分别用未补偿和补偿后的数据进行姿态测量实验,实验结果表明该方法准确计算出磁强计的误差参数,使补偿后的航向角精度提高了6.8倍。     

基于自适应遗传算法的三轴磁强计校准

针对MEMS磁强计的精度无法满足姿态测量系统的航向角测量要求,对磁强计的误差来源进行了模型化分析,设计了一种基于自适应遗传算法的空间椭球磁强计校准方法.首先,采取自适应遗传算法,对磁强计测量的原始数据进行空间椭球的拟合,用估计的参数进行刻度系数、软磁干扰、硬磁干扰与零位偏置的综合误差补偿.其次,利用最小二乘法求解出非正交轴的方向余弦,进行非正交误差和安装误差的补偿.最后,将该方法应用到某姿态测量系统中,分别用未补偿和补偿后的数据进行姿态测量实验,实验结果表明该方法准确计算出磁强计的误差参数,使补偿后的航向角精度提高了6.8倍.     

敏感器正常和故障模式下微小卫星的姿态确定方法

围绕某日-地空间环境组网探测系统中微小卫星定姿系统的设计需求,基于MEMS陀螺、小型CMOS太阳敏感器、微磁强计,研究了该微小卫星各敏感器正常工作模式以及敏感器故障模式下的系统建模和姿态确定方法。各敏感器正常工作模式下,用陀螺、太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;陀螺故障时,用太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;太阳敏感器故障时,用陀螺和磁强计进行组合定姿;陀螺/太阳敏感器同时故障时,用磁强计进行定姿。仿真结果表明,本文定姿方法的姿态确定精度满足该系统中微小卫星在轨运行时的定姿精度要求,为该微小卫星的半物理仿真系统的研究及其在轨运行时的姿态确定提供了依据。     

基于光照区太阳敏感器和陀螺辅助修正的微小卫星磁测技术

微小卫星经常用磁强计作为姿态测量的主要部件,磁强计的测量精度是影响微小卫星定姿性能的重要指标。为提高磁场估计精度,采用太阳敏感器和陀螺对磁强计误差进行辅助测量与修正,推导了磁强计误差估计方法,在光照区以太阳敏感器与陀螺输出作为俯仰滤波器观测量,估计出卫星俯仰角度和角速度。再采用最小二乘方法,利用滤波输出量对磁强计误差进行估计,估计的结果进入滤波器对磁场输出进行测量修正。仿真表明该方法简单易行,姿态角精度提高了1°左右,角速度精度最高提高了0.003(°)/s左右,并增强了卫星稳定性,有利于成像等任务的完成,有效提高了微小卫星导航系统性能。     

一种小卫星高精度自主定轨/定姿一体化新方法

基于传统小卫星对轨道和姿态参数确定采用分别计算的复杂模式,提出了一种利用地磁场和天文信息同时确定卫星轨道和姿态参数的新方法。首先通过分析小卫星轨道动力学J2模型和卫星姿态动力学模型,建立系统状态方程。其次将三轴磁强计与地磁场模型参考值的矢量作差,分析微分差值与状态变量的数学关系,建立定位/定姿观测方程。利用星敏感器提供的高精度姿态信息,建立定姿观测方程,同时利用星敏感器间接敏感地平观测折射恒星,建立定位观测方程。最后提出基于信息融合的先进滤波算法,并通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,论证所设计一体化方法提高了系统定轨/定姿的精度和可靠性。     

高精度磁信标中心位置与姿态角标定方法

针对磁信标导航中磁信标实际产生磁场中心与姿态角难标定的问题,提出一种基于低频时变磁场特征矢量的高精度磁信标标定方法。首先根据磁信标在三维空间中的磁场模型,利用多个位置与姿态已知的磁强计对待标定磁信标进行测量,解算实际磁场中心位置。再根据磁场中心位置与磁强计测量到的磁场方向矢量解算实际磁场的坐标轴姿态角,实现对磁信标的高精度标定。仿真条件下,磁信标中心位置标定精度可达0.009 m,姿态角精度可达0.13°;在实际实验中,目标位置与姿态角解算精度相比传统方法分别提高了28.6%与62.8%,充分验证所提方法具有更高的可靠性与有效性。利用该方法标定后的磁信标为磁信标导航系统提供了更可靠、精确、适应性更强的时变磁场信号源。     

卫星三轴姿态确定系统的光纤陀螺/星敏感器组合技术研究

为了满足卫星三轴姿态确定的精度要求，提出了基于状态估计法的星敏感器和光纤陀螺组合的方案，并设计了相应姿态确定算法。通过仿真证明：此方案能达到高精度卫星姿态确定系统的要求。     

基于MSCMG大型遥感卫星高精度姿态控制方法

针对大力矩飞轮前馈和闭环反馈补偿复杂、对精度影响敏感性大的问题,提出了基于磁浮控制力矩陀螺闭环补偿的大型遥感卫星高精度姿态控制方法。该方法采用磁悬浮力矩陀螺为控制执行机构,通过变结构反馈补偿控制律设计,建立新的运动补偿控制系统,减小相机和卫星本体耦合效应。基于磁浮力矩陀螺力矩大、反向激励扰动小、精度高的特性,将其应用于对地遥感成像相机运动补偿控制系统中,仿真结果表明,与飞轮前馈补偿相比,姿态稳定度提高了一个数量级,有效提高空间大惯量卫星姿态控制的稳定度,提升相机对地成像质量;研究结果可为甚高精度卫星姿态控制与载荷运动补偿提供参考。     

简化超球体SRUKF的GPS/MIMU组合姿态估计

针对加速度计、磁强计易受机动加速度和周围环境影响的问题,提出了一种单基线GPS/MIMU组合姿态估计方法。该方法利用单基线GPS天线代替磁强计提供航向信息,并利用GPS的速度信息对加速度计输出的机动加速度分量进行补偿,构成单基线GPS/MIMU组合姿态确定单元。同时考虑实时性要求,在SRUKF的基础上,引入加性非扩展形式和超球体单形采样,提出了简化超球体平方根UKF算法,通过减少状态维数和采样点的数量,降低算法计算量。建立加性噪声下的单基线GPS/MIMU姿态模型,并采用简化超球体平方根UKF算法进行姿态估计。实验结果表明,单基线GPS的速度信息可以有效提高加速度计对水平倾角的确定精度,姿态估计算法收敛后的最大误差小于0.8°,估计精度与UKF相当,且执行时间仅是UKF的42%。     

旋转弹体表面红外辐射干扰补偿模型

针对地球红外辐射姿态测试方法中弹体表面红外辐射干扰较大的问题,建立旋转弹体自身红外辐射补偿模型,从而提高弹体姿态测量精度。首先,采用瞬态热平衡微分方程推导出旋转弹体表面温度变化曲线,获取弹体自身红外辐射亮度。然后,根据地球红外辐射及其在大气中的传播规律,建立了弹体自身红外辐射补偿数学模型。最终结合红外传感器输出和所推导的补偿模型,估算红外辐射补偿参数。结果表明补偿后姿态角解算误差显著降低,俯仰角和横滚角解算误差最终分别保持在±0.2°和±0.4°以内。本方法对姿态测量误差的减小具有显著效果,补偿方法简单有效,对旋转弹体的红外姿态测试技术的研究具有借鉴意义。     

基于自适应UKF算法的MEMS陀螺空中在线标定技术

为保证微型卫星定位应用中系统精度与稳定性,需要对姿态传感器进行实时在线标定.在无外界姿态参考时,提出一种用三轴磁强计测量值来实时估计MEMs陀螺的零漂误差的方法,采用UKF滤波算法,将陀螺漂移作为滤波状态向量,通过建立三轴磁强计测量微分方程,作为系统量测方程实现陀螺漂移的最优估计.针对磁强计测量信息易受干扰导致滤波量测模型不准确的问题,将自适应因子引入到UKF中,通过在线监控和调整测量误差,减少陀螺标定的估计误差,增强系统性能.实验结果表明,经过标定,MEMS陀螺精度提高约30%,并且在磁强计有外界干扰时,陀螺的标定结果收敛.将标定后的MEMS陀螺进行姿态解算,其动态误差小于2°.     

猎雷声纳基阵姿态稳定系统自适应反步法控制

针对带非线性摩擦力矩和负载扰动的高精度猎雷声纳基阵姿态稳定系统,提出了一种基于神经网络的自适应反步法控制方法。其中神经网络用于估计未知非线性摩擦力矩,进而设计反步法控制器和参数自适应律来对神经网络估计误差和负载扰动进行补偿。最后应用Lyapunov方法证明了所提出的自适应控制器能保证闭环系统的稳定性,并且可以通过选择适当的控制器参数来调整收敛率。仿真结果表明,基于神经网络的自适应反步法控制方法与PID控制相比,系统的动、静态性能指标及鲁棒性得到了全面的改善,与双闭环PID控制相比,跟踪精度提高了3倍多。     

地下定向钻进姿态测量系统的设计

针对地下钻进的特殊要求,描述了一种定向钻进姿态测量系统,对系统具体的结构以及姿态解算方法同时进行了详细说明。该系统采用新型微硅加速度计和磁阻式磁强计作为姿态敏感器件,实时获取定向钻进中钻具的方位角、倾角和面向角信息。此系统具有体积小、成本低、可靠性高等一系列优点,非常适合地下钻进测量。     

基于渐消记忆滤波的1点RANSAC单目视觉姿态估计算法

针对1点RANSAC(Random Sample Consensus)单目视觉EKF(Extended Kalman Filter)算法中的滤波发散问题,分析了滤波发散的产生原因,提出了一种基于渐消记忆滤波的1点RANSAC单目视觉姿态估计算法。该算法通过在EKF滤波方程中引入加权因子,逐渐加大当前数据的权重,相应地减少旧数据的权重,有效地扼制了算法中的滤波发散问题。最后通过两组验证性实验验证说明了算法的有效性。实验结果表明:该算法能够有效地解决1点RANSAC单目视觉EKF算法中的滤波发散问题,具有更高的精度。第一组双轴联动实验,航向角的平均误差减小2.4158?,俯仰角平均误差减小0.1782?;第二组偏航轴大角度转动实验,摄像机航向角的估计误差一直保持在1.5?以内。