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。     

基于自适应EKF的摄像机标定优化方法

针对扩展卡尔曼滤波算法在摄像机标定优化应用中,滤波精度较大程度地依赖于噪声协方差矩阵的准确性这一问题,提出了一种基于自适应扩展卡尔曼滤波算法的摄像机标定优化方法。以所检测到的二维棋盘格标靶上特征点的图像坐标作为自适应扩展卡尔曼滤波算法的观测量,摄像机的内、外参数作为状态量,将观测图像上的特征点进行逐点滤波运算,过程和观测噪声协方差矩阵在迭代过程中随着观测值和预测值之间新息的变化而更新,从而优化对应的摄像机参数。实验结果表明,经本文算法优化后获得的摄像机内、外参数具有较小的重投影误差,USB相机和工业相机的标定结果较张正友标定法分别提升了61.17%和12.17%,所提算法较无迹卡尔曼滤波算法和扩展卡尔曼滤波算法在噪声环境下具有更高的标定精度和更好的鲁棒性。     

水下目标跟踪的改进非线性滤波快速算法*

为了提升水下目标的跟踪精度,该文研究了测距误差有偏条件下的水下目标跟踪算法,基于水下目标跟踪中常用的无迹卡尔曼滤波(UKF)和容积卡尔曼滤波(CKF)算法,改进提出了将偏差系数作为状态变量之一进行联合估计的跟踪算法。结合水下目标跟踪场景的实际特点,进一步推导了这两种算法在线性状态方程条件下的简化形式,分别称为IS-UKF和IS-CKF算法。仿真实验和湖试实验结果表明,与常规无迹卡尔曼滤波和容积卡尔曼滤波算法相比,提出的两种改进算法(IS-UKF和IS-CKF算法)不仅具有同等运算量,而且提高了目标轨迹跟踪精度。     

四旋翼无人飞行器姿态数据采集处理系统

针对机械振动等因素产生的噪声对加速度传感器测量姿态数据的影响,增加了陀螺仪并运用卡尔曼滤波对加速度传感器和陀螺仪的数据进行融合处理;与以往均值和中值等滤波姿态算法相比,采用卡尔曼滤波算法能够获得可靠、稳定的姿态数据,为四旋翼无人飞行器稳定飞行提供有效保障;介绍了姿态传感器和采集处理系统硬件结构及软件实现,运用图形化编程语言LabView实现对四旋翼无人飞行器实时姿态曲线显示、姿态数据存储、回放等功能;经测试,能有效的降低机械振动等噪声对飞行器姿态测量的影响,提高姿态数据估计的精度,达到了预期的目标。     

基于MARG的无人机抗干扰系统的研究

由IMU或电子罗盘组成的无人机航姿测量系统易受载体有害加速度或周围局部磁场干扰导致姿态角解算不准确。针对该问题提出将自适应扩展卡尔曼滤波算法应用于该系统。在卡尔曼滤波算法中提出引入分段函数构造自适应测量噪声方差阵。相比于传统噪声方差阵的阈值判断方法,该方法提高了传感器信息的利用率,进一步减小了外界干扰对系统姿态估计的影响,最终提高了姿态角的解算精度。最后针对该方法进行了仿真分析和无磁转台实验验证,仿真和实验结果表明,该方法能有效提高无人机航姿测量系统的抗干扰能力,具有一定的应用价值。     

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。     

光电跟踪系统的共轴跟踪控制技术研究

为了提高光电跟踪系统的跟踪精度,对其粗跟踪环节的共轴跟踪控制技术进行了研究。介绍了共轴跟踪控制的基本原理,分析了常用非线性卡尔曼滤波算法,并仿真比较了无迹卡尔曼滤波(UKF)和容积卡尔曼滤波(CKF)的位置和速度的预测精度。在此基础上综合UKF和CKF的优点,设计了对延迟的合成位置信号进行处理的双并联滤波器,实现了光电跟踪系统的共轴跟踪控制。利用实测数据仿真实验表明,光电跟踪系统的跟踪精度明显提高。     

小型机载光电平台中基于扩展卡尔曼滤波的地面目标定位算法

为提高小型机载光电平台的目标定位精度,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的目标定位算法。根据机载光电平台锁定跟踪目标的特性,对同一目标进行多次测量。依据组合导航系统测量的载机位置、姿态信息及位置编码器测量的框架角位置信息,结合地球椭球模型确定目标的视轴指向。建立状态方程和测量方程,利用扩展卡尔曼滤波对目标的地理位置进行估计。采用蒙特卡罗法分析了测量误差对目标定位精度的影响,仿真结果显示:所提算法的精度较高,稳健性较高。采用飞行试验验证了该算法的有效性,当飞行高度为4300m时,目标定位精度优于15m。与基于地球椭球模型的算法相比,所提算法的目标定位精度明显提高。     

基于时频差的正交容积卡尔曼滤波跟踪算法

针对基于时频差测量的无源跟踪中面临的非线性估计问题, 提出一种正交容积卡尔曼滤波跟踪算法. 该算法在容积卡尔曼滤波算法的基础上, 通过引入特定正交矩阵改进容积采样方法, 在高维状态估计下减小因采样产生的误差, 在没有增加计算量的前提下, 有效提高收敛速度及跟踪精度. 仿真结果表明, 在基于到达时差和到达频差的联合无源跟踪问题中, 与扩展卡尔曼滤波及容积卡尔曼滤波算法相比, 本文所提算法在跟踪性能上有明显提升.     

星光观测蒙气差补偿技术

为了消除大气内观星时蒙的影响,提高载体定姿精度,提出了一种蒙气差补偿算法。首先给出了补偿过程涉及的姿态转移矩阵,并完成了相关矢量坐标映射变换;接着在星敏感器坐标系内,用两矢量内积法求得视天顶距;最后利用几何公式列出了以真星光矢量投影点估计位置为未知量的方程组,作为星敏感器任意姿态下蒙气差补偿算法模型。在没有任何误差的条件下对模型有效性进行了仿真,10-6 pixel量级的位置估计精度表明了算法的有效性。加入不同量级的陀螺漂移误差进行了仿真,给定的漂移误差对于蒙气差补偿模型的估计精度影响甚微,仿真结果表明在捷联载体存在一定姿态误差的前提下,蒙气差补偿模型也是适用的,补偿后的星像坐标用以实现星光姿态确定,并进一步对陀螺漂移完成补偿。     

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.     

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.     

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。     

逼近积分点数下限的五阶容积卡尔曼滤波定轨算法

为了在保持滤波定轨精度不变的条件下提高定轨计算的实时性,提出一种新的逼近积分点个数下限的五阶容积卡尔曼滤波定轨算法.首先,采用一种数值容积准则对非线性函数的高斯加权积分进行近似,该准则所需的积分点个数仅比五阶代数精度容积准则积分点个数的理论下限多一个积分点,并在贝叶斯滤波算法框架下推导出本文算法的更新步骤.然后,给出实时定轨所需的状态方程和量测方程,在状态方程中考虑了J2项引力摄动和大气阻力摄动,在量测方程中利用坐标系转换推导了轨道状态与测量元素之间的非线性关系.仿真实验结果表明,本文所提算法在定轨精度方面与已有的五阶滤波算法相当,但所需的积分点个数最少,计算实时性最高,从而验证了本文算法的有效性.     

MC-ROV导航系统研究

针对研制的新型模态切换水下机器人(Mode-Converted ROV, MC-ROV),设计了一套以MEMS器件为主的微惯性组合导航系统,包括陀螺仪、加速度计、磁力计、深度传感器及微处理器等。系统采用互补滤波方法抑制陀螺漂移,设计卡尔曼滤波器计算姿态角。本文采用了改进的自适用卡尔曼滤波器,增大新近数据的作用,减小陈旧数据的作用,避免滤波发散,提高导航精度。水池实验表明结合互补滤波、自适应卡尔曼滤波能够获得比较精确、稳定的水下机器人导航信息。同时,基于实测数据进行的算法仿真表明改进后的渐消记忆指数加权自适应卡尔曼滤波可以在一定程度上改善导航效果。     

基于平面导航系的极区传递对准算法研究

针对极区经线快速收敛导致基于传统导航坐标系的传递对准模型和误差方程不适用的问题,提出了基于平面导航力学编排的极区传递对准算法,并设计了"速度+姿态"匹配的传递对准滤波模型。该算法基于Kalman滤波最优估计理论,利用舰艇主惯导高精度姿态、速度信息对局部基准姿态失准角进行估计补偿,以达到局部基准极区动基座条件下快速初始对准的目的。仿真结果表明,在中海况条件下,局部基准可在20s内完成方位精度为5′、水平姿态精度为3′的初始对准。     

基于DSP的电动汽车锂电池荷电状态估算的研究与实现

锂电池荷电状态(SOC)的准确估算是电动汽车能源管理的关键技术。为了提高锂电池SOC的估算精度,将无迹卡尔曼滤波(UKF)应用于锂电池SOC估算,以减小拓展卡尔曼滤波(EKF)简单线性化带来的误差。搭建电池检测系统的硬件平台,以TMS320F28335型数字信号处理器(DSP)为主控芯片(MCU),实现电压、电流、温度的检测及UKF算法,并设计了相关的电池测试实验。实验结果表明,UKF可以实时估算锂电池SOC,估算误差在4%以内,高于传统的拓展卡尔曼滤波(EKF)。     

CCD星图模拟器的设计及验证

为了方便星图识别算法和星敏感器性能的测试,设计了一种CCD星图模拟器,开发了星图模拟软件。采用高分辨率显示设备及平行光管模拟无穷远处平行光,实现了高质量星图的模拟。通过高精度QUEST算法求解姿态,对模拟的星图进行了验证。计算了3颗以上恒星的偏航角、俯仰角和滚动角,对100幅模拟星图进行了统计分析,结果显示其定位精度已达98．1％。目前,该星图模拟器已成功用于实际项目,为后续的测试星图识别算法提供了良好的依据,并缩短了开发周期。     

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。展开了不同条件下的仿真实验,实验结果表明:当星敏感器角速度在0~3°/s动态范围内,校正后星对距离精度高于0.1 pixels,姿态角精度高于10″。