基于扩展卡尔曼滤波的卫星组合姿态确定物理仿真技术研究

针对未来卫星应用的高精度、高可靠性定姿技术需求,设计了卫星单轴组合姿态确定物理仿真系统;采用太阳敏感器和光纤陀螺组合定姿模式,提出了一种扩展卡尔曼滤波组合姿态确定算法,用C语言进行了实验软件设计,系统采用DSP为处理器,还设计了多敏感器数据采集扩展接口;物理仿真实验结果:姿态确定精度优于0.5°;陀螺常值漂移估计的平均值为3.625758e-4°/s,证明了组合姿态确定算法的有效性和该项技术对工程应用的可行性。     

基于MEMS传感器的姿态测量系统设计

为解决单目三维扫描装置摄像机标定完成后姿态不能改变的问题,针对单目三维扫描装置使用过程中的运动方式与特点,设计了一款基于 MEMS 传感器的姿态测量系统。采用四元数对姿态进行解算,通过三轴姿态确定(TRAID)算法构建量测模型,以无迹卡尔曼滤波(UKF)算法进行数据融合,能有效抑制姿态解算过程中陀螺仪的漂移问题。实验结果表明,利用该系统进行姿态测量时静态误差低于±0.2°,动态误差低于±1°,系统实时性好、适用于动态三维扫描系统。     

基于天文观测的相机标定及姿态测量技术研究

为利用相机进行天文观测以实现高精度的相机姿态测量,必须先对相机参数进行精确标定。针对传统相机标定方法工作距离有限的问题,提出了以恒星为控制点的相机标定方法,根据球面天文学方法计算观测时刻控制点的世界坐标,利用摄像测量原理建立了恒星观测模型,求解相机的内外参数并分析了误差因素。实验结果表明,该标定方法在不依赖于精密、复杂的外部设备情况下可达到较高精度,并具有较强的抗噪声能力。将标定结果用于天文观测并求解相机姿态,航向角和俯仰角的解算重复性优于10″,能够满足高精度姿态测量的需求。该方法可进一步推广应用于星敏感器的标定。     

TDICCD相机的卫星姿态稳定度确定

为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题,提高TDI CCD相机成像质量,分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性,推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式,得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导,结果显示：轨道高度越高,积分级数越大,对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明：轨道高度在200～1000 km变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.0377 rad/s提升至0.00635 rad/s;TDI CCD 相机的积分级数在1～100间变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.00014 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系,有助于TDI CCD成像质量的提升。     

高精度单轴旋转姿态测量系统研究

 采用90型二频机抖激光陀螺和石英挠性加速度计,利用单轴旋转惯性组件的方法,研制了高精度姿态测量系统。介绍了系统的硬件结构组成和无减震结构设计方案,给出了初始对准和姿态测量系统的算法。系统的初始对准采取粗对准和精对准两种方式, 姿态测量系统的误差传播特性由系统的误差模型来描述。对该系统进行了静态导航实验和长时间单轴旋转导航实验。实验结果表明：系统水平姿态24h保持精度优于30″,24h航向保持精度优于30″。     

基于UKF的自适应野值剔除算法

在基于RSSI信号的无线定位系统中,由于外界环境中各种存在随机干扰噪声,使得采样到的RSSI信号往往具有非线性、不稳定等特点,很大程度上偏离了其真实值,它直接影响了定位系统的定位精度。为了提取RSSI信号的真实值,提出一种基于UKF的自适应野值剔除算法,它根据信息来修正其预测值和增益,可以实时对动态观测数据中的野值进行检测和剔除。并通过与UKF算法对比仿真实验,matlab仿真结果表明,使用改进算法对RSSI信号进行滤波处理,提取的RSSI信号值更接近其真实值,收敛速度更快,误差更小,稳定性更好, 可以有效地剔除野值信号,并抑制了野值信号对滤波的影响。     

基于多视场星敏感器的姿态确定方法

星敏感器是目前航天器姿态测量精度最高的器件,与传统的单视场星敏感器相比,多视场星敏感器可以实现三轴同样高精度的姿态测量,提高姿态测量精度。针对单视场星敏感器姿态确定问题,推导了以最小代价函数为指标的QUEST姿态确定算法。对于多视场星敏感器,通过坐标变换方法将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中,再利用QUEST算法得到航天器姿态。最后仿真结果表明,坐标变换后进行姿态确定得到的姿态数据与单个视场所得的姿态数据相同,验证了方法的正确性。     

铁路运行环境下的车载相机姿态估计

基于对铁路运行环境中所拍摄的图像特征的分析,提出了一种修正的线段检测子(MLSD),并利用该线段检测子结合最小二乘拟合及交叉迭代优化方法对消失点进行快速检测,进而利用消失点坐标实现了相机姿态的估计,为后续调整机器视觉算法进行铁路运行环境的场景重建提供重要依据。运用该方法,基于车载相机所拍摄的图像对车载相机姿态进行估计,实验所得的估计值满足了车载检测系统的精度要求,表明了此方法对于估计相机姿态有效的。     

确定恒星表面有效温度的非参数估计方法

恒星表面有效温度是恒星的一个重要物理参量,是恒星光谱差异的重要因素。文章采用非参数估计算法对恒星表面温度进行估计。首先对历史光谱数据进行主成分分析(PCA)处理,再根据PCA特征数据与其表面温度的对应关系建立温度的估计模型,该模型是基于高斯核函数的。方法不依赖对光谱进行精确测量,就可以得到较高估计精度的温度值,对大样本光谱分析具有重要意义。     

基于时域约束的卷帘曝光星敏感器星点校正方法

针对卷帘曝光模式星敏感器动态星点成像形状畸变和成像位置误差导致的导航星点定位精度降低、测姿误差增大的问题,提出了一种基于时域约束的导航星点校正方法.基于卷帘曝光的时间异步性特点,结合基于卡尔曼滤波的导航星点位置和帧间速度最优估计,将时域中不同时刻的导航星点校正到相同时刻,从而有效地解决星点畸变与位置偏移问题.展开了不同...     

基于改进Phong模型的天基光学观测GEO目标姿态估计方法

针对于缺少基于天基光学观测的空间目标姿态估计的问题,提出将无味卡尔曼滤波应用于基于天基光学观测的地球同步轨道目标姿态估计中.以光学横截面积代替星等作为观测量,提高观测方程的线性化水平,实现观测方程的简化;同时建立基于改进Phong模型的光学横截面积观测模型,在提高观测方程描述能力的同时,以角度作为模型的输入,极大地简化了计算,增强了实时性.最后,以贴敷聚酰亚胺薄膜及朗伯体材质的长方体为例,对比分析了姿态估计情况,验证了所提方法的有效性;并进一步对正六棱柱、正八棱柱进行了姿态估计.     

Nonlinear empirical mode predictive drift extraction on fiber optical gyroscope

The integration drift of inertial unit is a fatal error on navigation and attitude determination system. Many approaches have been developed to extract and eliminate it. A novel fiber optical gyroscope drift extraction algorithm was proposed in this paper to ameliorate the performance of fiber optical gyroscope by extracting the trend component as the compensation. In this algorithm, the attitude quaternion of stellar sensor and the output of fiber optical gyroscope were imported into a nonlinear empirical mode predictive algorithm to extract the drift component of gyroscope. Combing the advantages of predictive filter and empirical mode decomposition in nonlinear signal processing, our proposal is more precise in drift extraction and data approximation. Software simulation and hardware verifications on gyroscope were launched, in which the results had proven the capability of the algorithm.     

Stellar sensor based nonlinear model error filter for gyroscope drift extraction

The conventional gyroscope based spacecraft attitude determination approaches are afflicted by the integration drift of gyroscope. To ameliorate the performance of gyroscope, many compensation algorithms have been developed. A novel spacecraft attitude determination algorithm, which is based on the stellar sensor and nonlinear model error filter algorithm, is discussed in this paper. This algorithm uses the attitude quaternion obtained from stellar sensor to generate the attitude information of spacecraft, which could compensate the drift error of the gyroscope unit. This approach could be utilized both as the gyroscope error compensation in high precision integrate navigation system and as an attitude determination unit individually in low precision mini-satellite task. Two verifications of different satellite orbits have been launched and the performance of our approach was proved.     

航天相机用基于1553B总线温度控制系统

文章介绍了一种航天相机用基于1553B总线的测温控温系统的设计,测温部分通过电阻分压的方式采集热敏电阻的电压值进而计算出热敏电阻的阻值,从而得出热敏电阻的温度,控温部分通过PID控制方法驱动加热片进行温度补偿,达到目标温度值。文中介绍了系统的原理及电路实现、软件流程,对测温过程中产生的误差源进行了分析并提出修正方案。最后给出实测数据得出结论,该系统测温精度优于0.1°C,控温精度优于0.3°C。     

一种基于自适应滤波的高动态星敏感器在轨校正方法

为了提高高动态环境下星敏感器的质心提取精度,提出了一种基于自适应滤波的在轨校正方法.该方法能够适应角速度变化的星敏感器,自适应的调整校正矩阵.使用提出的基于时空相关性的噪声估计滤波器跟随星点窗口实时更新校正矩阵,对星点准确校正.与传统地面校正方法相比,本文方法不仅减少了成本,且实时更新校正矩阵,校正更加可靠.通过实验验...     

基于姿态跟踪的LINS晃动基座初始对准

为了提高激光捷联惯性导航系统在晃动基座上的初始对准准确度,将惯性仪表数据的低频波动看作载体真实姿态晃动的反映,采用对准算法跟踪这种姿态变化.粗对准在惯性坐标系进行,利用惯性系对准对姿态变化敏感的特性,跟踪载体姿态角变化,确保粗对准误差为小角度;精对准采用标准Kalman滤波,避免了复杂的非线性算法,将两个水平加速引入Kalman滤波的量测向量,利用水平加速度对姿态角变化的敏感性,提高了Kalman滤波对准算法跟踪载体姿态变化的能力.提出了一种晃动基座对准准确度的考核方法,通过激光捷联惯性导航系统车载晃动对准和跑车试验,表明所提对准算法可以在风扰、发动机工作、人员晃动等干扰条件下,实现自对准,对准时间180s,对准重复性为0.04°,跑车水平定位误差达到770m/h,满足高准确度惯性导航设备要求.