超低干扰力矩微纳卫星姿控半物理仿真平台

微纳卫星姿控的反作用飞轮输出力矩小,难以克服普通气浮转台的干扰力矩,为了解决上述问题,实现微纳卫星姿控地面半物理仿真验证,必须对干扰力矩进行有效补偿。为此,对干扰力矩分类并分析了各自的特性,针对性提出了干扰力矩主动补偿方法,研制了主动补偿式超低干扰力矩气浮转台,并基于此开发了微纳卫星姿控半物理仿真平台。研制的气浮转台的干扰力矩达到2×10^-5 Nm,小于微纳卫星反作用飞轮的最小输出力矩,利用半物理仿真平台有效地验证了微纳卫星大角度姿态机动控制算法。     

三轴稳定小卫星LQG姿态稳定控制与仿真

建立了三轴稳定小卫星稳定工作模式下的动力学模型,在此基础上设计了用于其姿态稳定控制的线性二次高斯型（LQG）控制器。该控制器由Kalman滤波状态估计器和线性二次型最优调节器两部分组成,前者对卫星姿态信息进行滤波融合,在此基础上,后者进行反馈增益矩阵的最优化设计。由三轴正交反作用飞轮系统提供控制力矩,得到了卫星姿态稳定系统的状态空间仿真模型。仿真结果表明：设计的LQG控制器可以实现卫星姿态的精确确定和稳定控制,姿态确定精度相对于敏感器测量精度有较大提高;二次型调节器能够对卫星姿态小偏置量进行快速稳定,而且可以较好地抑制卫星稳定工作时受到的外界干扰。     

小卫星模型独立大角度姿态机动半实物仿真

提出了仅用反作用轮的小卫星姿态大角度机动控制算法，针对反作用轮输出力矩受限和速率饱和的为束，采用递阶饱和思想使星体沿欧拉轴逐步逼近目标位置．文中设计的快速机动控制器，无需知道系统精确模型，即可实现卫星任意时刻的姿态捕获和机动控制，并采用dSPACE实时仿真系统、反作用飞轮实物、先纤陀螺实物和星载机，在单轴气浮台上进行了半实物仿真验证．仿真结果表明，在系统模型不确定时，设计的控制算法能够实现快速姿态机动任务，有良好的鲁棒性。     

基于扩展卡尔曼滤波器的低成本航姿系统设计

针对传统的航姿系统（attitude and heading reference system, AHRS）在微型无人飞行器、机器人等应用上所体现的成本高、体积大、功耗大的问题,提出了一种低成本高精度AHRS。该系统以数字信号处理器为硬件平台,集成了陀螺仪、加速度计、磁罗盘等9自由度微机电系统传感器,采用了基于四元数的姿态估计方法,建立了传感器输出模型和系统状态空间模型,考虑了加速度对系统精度的影响,解决了四元数协方差奇异性问题,通过扩展卡尔曼滤波〖JP3〗器进行数据融合以获得姿态的准确输出。经数值仿真分析和三轴飞行转台测试,姿态角的静态精度优于0.5°、动态精度优于2°,并在微型无人飞行器上进行了飞行验证,结果表明其能够满足小型无人飞行器等的应用需求。     

基于三轴转台误差分析的IMU标定方法

为了减小三轴转台误差对惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)误差模型系数标定精度的影响,提高IMU在三轴转台上的标定精度,首先分析了三轴转台各误差源,给出了陀螺仪和加速度计的输出与转台的位置、姿态误差之间的关系。据此设计了正十二面体-20点的位置和速率试验计划。该方法能同时辨识出IMU的误差模型系数以及转台误差源,自动补偿了三轴转台的误差,提高IMU误差模型系数的标定精度。最后对理论分析结果进行仿真验证,给出了转台误差与IMU误差模型系数标定误差之间的关系。     

MEMS陀螺仪冗余配置故障检测方法

针对姿态测量系统的可靠性问题,提出了一种冗余配置方式的微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)陀螺仪故障检测方法。首先,基于三轴MEMS陀螺仪研究了冗余配置的形式,给出了相应的故障评价函数,并给出了最优配置角度的计算方法;其次,根据冗余配置建立陀螺仪故障检测数学模型,设计了MEMS陀螺仪硬故障检测方法,并进一步证明了陀螺仪的软故障和陀螺仪输出噪声的相关性,通过最大似然估计给出了软故障检测判决函数;最后,利用自主构建的故障检测硬件平台进行了实验验证,成功实现了对发生硬故障及软故障陀螺仪敏感轴的检测。该方法将MEMS陀螺仪的冗余配置扩展到了敏感轴水平,提高了MEMS陀螺仪的数据利用率,增加了系统可靠性。     

半实物仿真惯组输出模拟及转台姿态补偿方法

针对半实物仿真传统三轴转台解耦方法大多不考虑地球自转影响造成仿真相似性不足、精度不高的问题, 本文充分考虑转台纬度、方位及转序与发射点状态的差异, 提出一种虚拟惯组输出模拟及实物惯组转台姿态补偿方法。当设备中不含实物惯组时, 通过构建虚拟惯组并考虑误差影响模拟真实惯组输出; 当引入实物惯组时, 在转台解耦的基础上补偿当地地球自转角速度, 根据转台奇异值与仿真需用范围可选卧式或立式驱动模式。经仿真验证, 13 min飞行工况下虚拟惯组与实物惯组姿态结果一致, 最大角误差约0.08°, 不加地速补偿时仿真姿态相比理论值差异约3°, 加入补偿后修正至约0.01°, 表明该方法正确可行, 能有效提高仿真精度, 且方法实现简单适用性好, 可工程应用并推广。     

利用高精度陀螺对星敏感器在轨标定算法研究

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,基于扩展卡尔曼滤波算法,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,利用陀螺的测量输出对其进行实时补偿,以确保姿态测量元件在轨工作精度。仿真结果表明该在轨标定算法可以准确标定出星敏感器的常值误差。     

SR-CH∞KF用于弹丸飞行姿态测量研究

为提高弹丸姿态测量精度, 提出一种基于H∞滤波的平方根容积卡尔曼滤波。该方法通过三轴地磁传感器和陀螺仪组合测量模型, 采用欧拉角算法模型减少状态维数并使状态方程呈现线性化, 可以减少计算量。该方法可以适用于量测噪声不确定的情况, 引入新息序列不断修正误差限定参数来更新量测噪声估计值, 可以提高滤波的精度和鲁棒性。奇异值分解能够保证误差协方差矩阵的正定性, 平方根形式能够提高容积卡尔曼滤波的数值稳定性和鲁棒性。利用地磁传感器与陀螺仪组合测量弹丸姿态的仿真实验来验证算法有效性, 并与容积卡尔曼滤波和平方根容积卡尔曼滤波的效果进行对比, 证明了所提算法的有效性与优越性。     

基于磁悬浮转子微框架能力的航天器姿态二自由度测控一体化控制方法

提出一种基于磁悬浮转子微框架能力的航天器姿态二自由度测控一体化控制方法,在磁悬浮控制力矩陀螺框架不动的条件下,通过实时检测磁轴承控制电流、磁悬浮转子位移求解出航天器的滚动、偏航轴姿态角速度,建立磁悬浮转子控制的航天器姿态动力学方程,利用已测得的姿态角速度,设计姿态解耦控制律,控制磁悬浮转子的旋转主轴在磁间隙范围内以一定角速度偏转,产生所需的径向二自由度输出力矩,调节航天器的滚动、偏航轴姿态,仿真表明,该方法能够实现航天器的二自由度姿态调节,微框架力矩具有高精度的优点,能够完成航天器机动段末端小角度的姿态控制。     

伪陀螺/星敏感器组合双体卫星姿控系统

针对双体卫星姿态控制系统,给出了"伪陀螺"概念,及其与星敏感器组合的姿态确定方法,其中伪陀螺是使用卫星内部传感器的测量以及卫星参数来进行动态模型的实时软计算,跟踪系统角动量进而得到角速度。首先建立了双体卫星模型,并设计了动量轮控制律,在此基础上根据星敏感器的测量信息,应用广义卡尔曼滤波器来估计姿态和角速率漂移误差,进而对伪陀螺和惯性陀螺进行校正。仿真结果表明本文的姿态确定方法,对双体卫星的姿态控制系统是非常有效的。     

无陀螺捷联惯导系统中加速度计动态误差分析及补偿

无陀螺捷联惯导系统中,加速度计直接固定在载体上,所以其动态误差对系统精度有显著影响.首先,建立了加速度计动态误差数学模型,给出了动态误差对于九加速度计系统角速度解算的影响,然后,结合三轴转台模型及测试原理,通过网络结构简单、收敛速度快而不存在局部极小值问题的线性神经网络一次性标定了加速度计所有动态误差系数,最后对动态误差标定及补偿结果进行了仿真.仿真结果表明,标定系数的精度随着三轴转台转速的提高而提高,误差标定并补偿后角速度解算精度得到了明显改善.     

基于MEKF的卫星姿态确定精度影响因素分析

乘性扩展卡尔曼滤波(multiplicative extended Kalman filter, MEKF)方法是卫星姿态确定中最为成熟有效的方法之一。针对该姿态确定方法,采用EKF随机稳定性分析理论,定性地分析了MEKF姿态确定精度的影响因素及其影响情况,重点分析了星敏感器采样频率、卫星姿态角速度的大小、初始误差、滤波参数选取等因素对MEKF姿态确定精度的影响,并通过仿真实验验证了上述分析的合理性。上述研究不仅能够加深人们在理论上对MEKF姿态确定方法的认识,也能够为工程上利用MEKF进行姿态确定提供参考。     

一种准无陀螺惯导系统解算新方法研究

为了有效抑制随时间发散的无陀螺惯性导航系统(GFINS)的误差,提出了一种新的解算算法(GA6A法)。利用合理配置的6个加速度计和1个起辅助作用的低成本速率陀螺仪,形成一种新的准无陀螺惯性导航系统(NGFINS),通过加速度计组合的输出直接解算载体的角速度数值的绝对值,再利用陀螺仪决定角速度的正负性,从而可以使求解载体姿态和位置的积分次数分别减少1次。给出了新算法的理论推导过程,并对该算法进行了可行性和有效性仿真。当计算步长?t=0.01s,仿真迭代10000次时,采用该算法可使载体姿态角精度和位置精度提高70%以上。     

挠性卫星多轴指向复合控制方案研究

针对带有多个挠性附件以及天线转动机构的多体卫星,在动力学建模与分析的基础上,设计了卫星本体与天线多轴指向复合姿态控制方案。将天线运动信息作为前馈信号补偿给卫星本体,设计了“前馈 变结构”控制方案,同时用本体姿态偏差调整天线转角,最终满足本体三轴稳定,同时天线对目标高精度定向的多轴指向要求。控制算法简单,易于工程实现。系统闭环数学仿真结果表明,卫星本体指向精度优于3×10-3deg、天线指向精度优于0.1deg。验证了控制方案的有效性。与各部分独立控制比较,复合控制能够提高卫星多轴指向精度。     

基于互补滤波器的MEMS/GPS/地磁组合导航系统

针对低成本、高性能、高可靠性导航系统的迫切需求,设计并实现了一种基于互补滤波器的微机电系统(micro electro mechanical system, MEMS)/全球定位系统(global positioning system, GPS)/地磁组合导航系统。通过精确地器件标定,提高了MEMS陀螺仪、加速度计输出数据的准确性;根据MEMS惯性导航系统解算的姿态角、速度、位置结果,结合GPS及地磁的输出,设计了组合导航系统;依据载体的运动状态,设计了自适应调整截止频率的互补滤波器数据融合方法,实现了组合导航系统的定姿定位;最后,对组合导航系统进行静态、动态测试试验,实际测试结果表明,组合导航系统能够达到较高的导航精度。     

组网冗余MEMS惯性传感器网络优化配置与融合处理方法

针对单个惯性传感器精度与可靠性问题,提出了一种组网冗余微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)惯性传感网络优化配置与融合处理方法。首先,研究了多惯性传感器节点的空间配置形式,给出了网络观测模型。利用节点之间的最优化冗余配置策略,提升系统测量可靠性。在此基础上,进一步考虑MEMS陀螺仪和加速度计的安装误差对输出结果的影响,提出了相应的误差模型及校正算法。以随机游走为主要误差源,设计了新型的卡尔曼滤波方法,实现了冗余配置下的高精度导航信息解算。最后,采用自主构建的实验系统进行试验,证明所提出的融合方法能够有效降低陀螺仪和加速度计的随机游走误差。车载试验进一步证明了所提出的方法及系统的有效性。     

组网冗余MEMS惯性传感器网络优化配置与融合处理方法

针对单个惯性传感器精度与可靠性问题,提出了一种组网冗余微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)惯性传感网络优化配置与融合处理方法。首先,研究了多惯性传感器节点的空间配置形式,给出了网络观测模型。利用节点之间的最优化冗余配置策略,提升系统测量可靠性。在此基础上,进一步考虑MEMS陀螺仪和加速度计的安装误差对输出结果的影响,提出了相应的误差模型及校正算法。以随机游走为主要误差源,设计了新型的卡尔曼滤波方法,实现了冗余配置下的高精度导航信息解算。最后,采用自主构建的实验系统进行试验,证明所提出的融合方法能够有效降低陀螺仪和加速度计的随机游走误差。车载试验进一步证明了所提出的方法及系统的有效性。     

单轴飞轮储能/姿态控制系统的仿真研究

说明了集成化储能与姿态控制系统的工作原理,提出了一种由两反转飞轮系统及气浮转台组成的单轴飞轮储能/姿态控制系统的原理实验装置,对姿态与DC总线电压控制进行了解耦,通过各子系统模型建立了系统的数学模型。通过仿真证明了利用两反转飞轮系统可以实现电能与动能之间的相互转化,并在能量转化的同时实现了气浮转台角度的控制,对于集成化能量与姿态控制系统实验样机的研制具有一定的指导意义。     

地球观测卫星轮控系统单通道全物理仿真

地球观测卫星姿态控制系统是个复杂的，高精度，长寿命对地三轴稳定，在太阳同步轨道上帆板对太阳定向的系统，执行机构为动量轮，采用偏置方式构成整星零动量，由于卫星控制系统中采用动量轮，因此必须对轮子的摩擦力矩，轮子过零，轮子动量卸载等关键问题，进行深入研究，为了提高轮控系统可靠性，研究其动力学特性，发现问题，将轮子接入控制系统进行气浮台仿真是十分重要的。本文主要叙述地球观测卫星全物理仿真系统组成，系统仿真内容和方法，试验结果。