基于螺旋修正的卫星位姿更新算法

由于卫星运动的不可交换性,在卫星测量过程中引入螺旋修正算法描述编队卫星中主从星的相对位置和姿态信息,提出了基于螺旋修正的编队卫星相对位姿测量算法。首先基于典型的螺旋环境,设计了螺旋修正算法,论证了其与传统圆锥修正算法和划船修正算法的一致性,采用三子样螺旋修正算法进行仿真并与传统算法的精度进行比较。仿真结果表明该算法的位置和姿态精度分别可以达到10-3 m和10-6数量级,满足测量精度要求。该算法不用像传统算法分别为卫星的位置更新和姿态更新设计两组优化系数,因此降低了算法复杂度。     

单目视觉下基于对偶四元数的卫星姿态的确定

在航天器姿态动力学和机器视觉理论基础上,提出一种新的卫星姿态确定的算法。单目相机作为观测设备,用对偶四元数以及几何透视投影法,将从星3D姿态参数转换为2D照片平面参数。最后,将表征坐标变换的对偶四元数中的位移和旋转分量以及运动角速度和线速度作为状态量,2D坐标参数作为观测值,建立滤波器,得到了表示相对运动的对偶四元数的估计值。在30s内的仿真结果证明了对偶四元数在表示刚体运动变换时的优越性,为从星姿态测量找到一个更有工程应用价值的方法。     

基于对偶四元数的卫星信息一致性控制

为了解决航天器控制信息一致性问题,提出了利用对偶四元数来描述对象的位置及姿态信息,实现位置与姿态的统一表述。同时利用信息一致性理论,通过设计航天器间的信息传递模型来解决分布式航天器间的状态同步问题。采用对偶四元数及信息一致性理论为工具,分别给出了位姿同步及跟踪两种控制方法并针对两种信息拓扑模型,以空间交会对接问题进行仿真实验,实验结果表明,在500s以内,卫星的位置及姿态实现了同步及跟踪控制。     

机载SAR用的GPS/SINS组合导航系统研究

提出了进行SINS姿态校正的四元补偿算法。采用闭环KF（卡尔曼滤波）技术实时校正惯性仪表误差，补偿四元数误差，修正位置，速度误差，GPS／SINS组合导航系统样机的试验结果表明：采用该提出的算法后，组合导航精度较高，在组合导航过程中若去掉GPS信息，短时间内纯SINS的导航精度很高，能够满足SAR对运动补偿精度的要求，待恢复GPS信息后，组合导航系统继续正常工作。     

基于地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航

针对近圆轨道编队卫星,提出了一种仅需要地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航滤波方法,利用星间相对测量与偏航姿态运动的弱相关性,解决了欠偏航量测下的相对位置估计以及三轴姿态确定问题。可观性分析证明了该方法的可行性及对编队构型参数的适应性。大量仿真表明,对于绕飞和伴飞构型,该方法均收敛,性能特性与理论分析一致。针对当前典型的地平仪与星间测量能力,相对位置滤波精度均优于2 m(3σ),绕飞构型偏航姿态精度优于1.0°(3σ),伴飞构型偏航姿态精度优于0.5°(3σ),是对中等精度编队卫星配置简化的有益探索。     

柱塞气举工艺下基于重力观测的MEMS全姿态位姿测量系统

为解决柱塞小体积自主高精度位姿测量的难题,针对柱塞气举工艺,设计了一种基于重力观测的微机电系统（MEMS）全姿态位姿测量系统。首先,利用柱塞工作过程中大部分时间不存在非重力运动加速度的特性,设计了基于重力观测的自主导航算法提高位姿测量精度;其次,考虑到柱塞垂直运动过程中俯仰翻转时无解的问题,设计了全姿态解算算法。最后,对所设计的位姿测量系统进行了实物实验。实验结果表明：所设计的位姿测量系统进行作业时,水平姿态精度不大于0.05°、航向漂移小于0.5°/h、短时位置精度不大于0.8 m,验证了该系统可解决柱塞目前存在的小体积自主高精度位姿测量难题。     

捷联惯导晃动基座四元数估计对准算法

针对捷联惯导晃动基座下的初始对准问题,提出了一种基于四元数估计(QUEST)的抗干扰对准算法。将惯性系对准方法中,求取初始姿态阵的问题转化为基于观测矢量确定载体姿态的Wahba问题,利用四元数估计算法得到最小二乘意义下载体初始姿态的最优四元数解。阐述了四元数估计算法的基本原理,详细给出了基于四元数估计算法的捷联惯导晃动基座对准方案。进行了车载实验,实验结果表明:四元数估计对准算法姿态角误差的收敛速度优于双矢量定姿对准算法,同时可进一步提高对准精度。经120 s对准后,水平姿态误差在5″以内,航向误差在1.3′以内。     

基于加性四元数误差方程的惯性/天文姿态组合算法

针对采用旋转四元数误差进行的组合导航误差建模中状态方程的非线性化问题,提出一种新的惯性/天文组合姿态组合算法,以姿态加性四元数误差和陀螺漂移为状态变量,推导系统线性化状态方程,并以天文导航和惯导姿态四元数之差为量测量,建立系统量测方程,然后利用卡尔曼滤波实现对该组合模式的信息融合,仿真分析表明,所设计的基于姿态四元数误差和陀螺漂移的组合模式能够有效估计系统状态误差,姿态误差0.02°左右,验证了其有效性,可避免较为复杂的非线性滤波器的使用,为工程实践提供了理论支持.     

空中平台航姿参考系统的设计

利用观测矢量确定载体姿态的原理,依据空中平台的动态要求,确定了航姿参考系统的构成。通过建立姿态误差四元数微分方程,对卡尔曼滤波器在线估计组合航姿系统姿态误差进行了设计,并将建立的传感器测量误差模型加入到滤波模型中。仿真表明,这样组成的航姿参考系统,在传感器测量精度有限的情况下,能在摇摆基座上达到水平姿态精度0.2°,航向精度0.5°。     

紧耦合INS/视觉相对位姿测量方法

研究了一种紧耦合INS/视觉相对位姿测量方法在无人机自主空中加油中的应用。该方法直接将特征点的图像坐标作为滤波器输入,避免了求解复杂的非线性位姿方程,尤其是特征点提取不全时,该方法具有较强的鲁棒性。引入相对惯导误差建立了增广状态模型,根据杆臂效应详细推导了紧、松两种耦合模式的量测方程。采用扩展卡尔曼滤波算法估计误差状态,并校正惯导输出获取精确的相对位姿信息。仿真结果表明,与松耦合模式相比,紧耦合在提高系统实时性的同时可获得更高的测量精度,位置误差小于0.1 m,姿态角误差小于3'。     

Attitude-Determination Problems for a Rigid Body

Algorithms are presented to solve some attitude-determination problems for a rigid body. Depending on the formulation of these problems, the attitude is determined by either a quaternion (the Rodrigues–Hamilton parameters) or the attitude matrix (the matrix of cosines). Emphasis is on nontraditional formulations. For example, the quaternion norm can no longer be constant in the algorithm for integration of kinematic equations. Nor are the statistical characteristics of measurement errors for separate coordinates of the vectors, which are observed in order to determine the attitude, assumed equal. The algorithm of joint operation of an inertial navigation system and a satellite radionavigation system is considered in detail, since here the attitude-determination problem may hold a central position     

Decentralized coordinated attitude control for satellite formation flying via the state-dependent Riccati equation technique

The goal of the present study is to develop a decentralized coordinated attitude control algorithm for satellite formation flying. To handle the non-linearity of the dynamic system, the problems of absolute and relative attitude dynamics are formulated for the state-dependent Riccati equation (SDRE) technique. The SDRE technique is for the first time utilized as a non-linear controller of the relative attitude control problem for satellite formation flying, and then the results are compared to those from linear control methods, mainly the PD and LQR controllers. The stability region for the SDRE-controlled system was obtained using a numerical method. This estimated stability region demonstrates that the SDRE controller developed in the present paper guarantees the globally asymptotic stability for both the absolute and relative attitude controls. Moreover, in order to complement a non-selective control strategy for relative attitude error in formation flying, a selective control strategy is suggested. This strategy guarantees not only a reduction in unnecessary calculation, but also the mission-failure safety of the attitude control algorithm for satellite formation. The attitude control algorithm of the formation flying was tested in the orbital-reference coordinate system for the sake of applying the control algorithms to Earth-observing missions. The simulation results illustrate that the attitude control algorithm based on the SDRE technique can robustly drive the attitude errors to converge to zero.     

车载捷联惯导系统定位测姿算法研究

GPS／INS组合精确测定平台的位置和姿态是移动测图系统中的重要模块。对陀螺仪和加速度计所测角速度和比力进行两次积分得载体姿态、速度和位置即SINS力学机械编排。目前该过程大多在地理坐标系进行。这里详细推导了地球坐标系中完整的解算过程，以四元数姿态矩阵更新及重力计算为核心，由IMU原始观测值解算出了载体位置、速度和姿态等参数，可快速高效与CPS输出的位置速度信息进行组合滤波处理，可据此编程进行工程应用数据处理。     

Orbit and attitude control of spacecraft formation flying

Formation flying is a novel concept of distributing the functionality of large spacecraft among several smaller, less expensive, cooperative satellites. Some applications require that a controllable satellite keeps relative position and attitude to observe a specific surface of another satellite among the cluster. Specially, the target space vehicle is malfunctioning. The present paper focuses on the problem that how to control a chaser satellite to fly around an out-of-work target satellite closely in earth orbit and to track a specific surface. Relative attitude and first approximate relative orbital dynamics equations are presented. Control strategy is derived based on feedback linearization and Lyapunov theory of stability. Further, considering the uncertainty of inertia, an adaptive control method is developed to obtain the correct inertial ratio. The numerical simulation is given to verify the validity of proposed control scheme.     

基于Gibbs矢量估计卫星轨道姿态的滤波算法研究

针对“矢量观测 陀螺”这种典型的三轴稳定卫星姿态确定系统模式,引入具有四元数优越性的Gibbs矢量作为姿态参数,提出了一种新的具有良好实时性能的轨道姿态估计方案。在方案设计中,为描述卫星轨道姿态的Gibbs矢量,推导出了基于四元数的运动学方程,并将QUEST法作为处理多矢量观测信息的压缩技术引入估计器,使得滤波修正算法得以简化。另外,针对单矢量观测情况,给出了能够加快状态估值收敛速度的改进协方差修正算法。仿真结果验证,新方案的姿态估计精度与传统的欧拉角估计法相当,而运算效率却明显高于欧拉角估计法。     

基于粒子滤波的微小卫星姿态确定算法

为了提高非线性卫星姿态控制系统的滤波性能,在建立了采用磁强计及太阳敏感器的卫星姿态模型的基础上尝试了新兴的粒子滤波(PF)算法对卫星系统进行姿态估计,进而对采用矢量观测的三轴稳定卫星的姿态确定问题进行了滤波算法的实时仿真,并将四元数转换成旋转矢量引入了粒子滤波算法,最后给出了卫星模型在不同粒子数目下的滤波性能比较,并在系统初始误差较大的情况下将粒子滤波算法与EKF滤波算法进行了滤波性能的对照。仿真结果表明,粒子滤波算法对粒子数目具有明显的依赖性,但是当粒子达到一定的数目时,粒子滤波的精度以及滤波稳定性都可以得到保证,尤其是在系统初始误差较大的情况下粒子滤波算法更显示了其优于EKF算法的滤波性能。     

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。     

基于最优控制的四元数据误差传播捷联矩阵算法分析

捷联系统中的比力、角速率的量测值都是沿船舶坐标系的，如欲求得船舶位置和姿态就应知道其在当地地理坐标系中的投影。无论从计算速度还是从计算精度上考虑，用四元数法得到捷联短阵比其他方法更为有利。该就四元数计算所引起的误差及其传播方式与四元数向量的正交计算进行了讨论，从而获得了一种捷联矩阵算法。     

角速率输入下的航姿算法研究

在某些航姿系统中,陀螺采用角速率信号输出,针对这种情况,作推导了几种航姿算法的圆锥运动误差表达式,并且在理论上比较了它们的误差。理论推导和随后的仿真都证明四元数航姿算法较为适合角速率信号输入。