基于对偶四元数的交会对接相对位姿测量算法

为了提高交会对接近距离段的相对位置姿态测量的实时性和准确性,提出了利用对偶四元数方法求解交会对接近距离段的相对位姿.该方法可以整体考虑追踪航天器坐标系和目标航天器坐标系间的相对旋转和平移,保持了刚体运动的完整性,克服了传统方法的缺陷.数值仿真验证了该方法的有效性.     

基于星敏感器双矢量观测信息的卫星姿态确定算法研究

针对三轴稳定卫星,研究基于星敏感器双矢量观测信息的卫星高精度姿态确定算法。建立了姿态运动学模型、敏感器测量模型、QUEST算法模型和扩展卡尔曼滤波(EKF)模型。对比分析了QUEST算法以及星敏感器与陀螺组合的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法的定姿精度。通过数学仿真,表明基于星敏感器和陀螺的扩展卡尔曼滤波组合姿态确定算法具有更高的定姿精度。     

基于平淡卡尔曼滤波器的微小卫星姿态确定算法

针对扩展卡尔曼滤波（EKF）在线性化过程中会引入误差的问题，采用平淡卡尔曼滤波器（UKF）进行了系统滤波器设计；提出一种构建虚拟观测量的方法，并分析了其噪声特性．虚拟观测量与高精度器件量测量搭配可实现对姿态的校正．以太阳敏感器、微电子机械系统（MEMS）陀螺、磁强计为姿态敏感器件，构建了定姿滤波器并用STK（Satellite Tool Kit）数据进行了仿真．结果表明，所提出方法能有效地提高定姿性能，采用UKF的系统定姿误差与EKF相当，但收敛时间、稳定性要优于EKF．     

非合作航天器间相对位姿的单目视觉确定算法

针对非合作航天器接近操作过程中200m以内的相对位姿参数确定问题，该文充分利用目标航天器已知的结构模型信息，推导了利用单个光学相机实现非合作航天器相对位姿参数测量的迭代算法。与传统的交会对接视觉系统不同，该视觉系统不需要在目标航天器上安装光学特征，而是充分利用了目标航天器的自身结构特征，因此更适用于一般航天器间的相对位姿参数测量。为解决相对位姿单目视觉确定的非线性问题，该文选择了求解非线性问题性能优良的Levenberg—Marquardt算法。最后对该文算法进行数学仿真，仿真结果表明算法的有效性和可靠性，适合航天器在轨实时应用。     

基于视觉伺服的飞行器交会对接技术

目的利用视觉伺服对照相机或终端执行机构进行控制,实现飞行器的交会对接。方法在航天器动力学和运动学模型的基础上以二维图像特征作为反馈,结合视觉伺服算法,控制飞行器到达预定位置。结果提出将视觉伺服运用于飞行器导引技术,得到了基于图像的视觉伺服数字仿真结果,飞行器控制精度满足要求。结论基于图像的视觉伺服算法可以有效解决航天器交会对接的控制问题,且参数选择以及控制器设计对系统性能有不可忽视的影响。     

采样Kalman滤波器在天文卫星定姿滤波中的应用

扩展Kalman滤波器(EKF)广泛地应用于卫星定姿问题,但它设计困难,且有发散性问题。该文应用一种采样变换(unscentedtransform,UT)设计了新的姿态确定滤波器UKF(unscentedKalmanfilter)。仿真对比结果表明,UKF滤波器定姿精度好于0.003°。其收敛速度大大高于EKF滤波器。而状态估计精度与EKF相当,方差估计优于EKF,且数值稳定性好。因此该滤波器可用于卫星快速机动过程的定姿。     

基于陀螺星光加激光交会雷达的相对姿态确定

针对编队飞行中从飞行器与主飞行器的相对姿态确定问题,提出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的相对姿态确定方法. 采用修正罗德里格参数(MRPs)作为姿态描述参数避免奇异点. 姿态敏感器采用陀螺 星敏感器 激光交会雷达的配置模式,并且结合相对姿态动力学方程得到相对姿态确定的状态方程,建立起相对姿态确定的EKF模型. 仿真实例表明,EKF状态能在最慢300 s内收敛,MRPs的估计误差在10-5范围以内,该方法正确有效.     

低成本姿态测量系统研究

针对由低精度的惯性陀螺、加速度计、磁强计组成的低成本姿态测量系统,该文进行了组合算法研究.设计了有陀螺测量和基于四元数差分法的无陀螺测量2种广义卡尔曼滤波器(EKF);采用四元数避免了欧拉角法的奇异问题;用高斯-牛顿误差最小法将六维观测量转化为四元数,作为观测量的一部分,显著减少了直接使用EKF的计算量.设计了仿真数据进行算法验证,成功地得到姿态估计,并对2种EKF滤波器在低速和高速状态下进行验证,取得良好效果.     

基于推广Kalman滤波的机载无源定位改进算法

研究空中运动观测平台对地面辐射源目标的纯方位信息定位算法,提出改进的二阶EKF定位算法以提高定位估计精度.用推广Kalman滤波算法代替传统的最小二乘定位算法.充分利用观测平台的运动信息建立了可观测的观测方程,并采用二阶EKF算法解决了在观测误差较大的情况下导致的非线性误差较大的问题.采用Monte Carlo仿真比较LS,EKF和二阶EKF 3种方法的性能.证明用这种方法可以达到更好的估计精度,能够将目标位置定位在更小的概率椭圆内.概率误差椭圆缩小了30%.     

基于改进自适应混合滤波算法的输电杆塔倾角测量方法

针对输电杆塔在线监测系统在使用低成本惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)测量杆塔倾角时存在测量精度低、姿态解算易发散、稳定性差的问题,提出一种基于改进自适应混合滤波算法的输电杆塔倾角测量方法。首先建立杆塔姿态解算坐标系,并结合四元数法确定了定姿方案。其次,运用改进型PI互补滤波算法对陀螺仪及加速度计进行信息融合,高低频优势互补,初步提升系统的姿态解算精度。最后将初步去噪后的信息作为Sage-Husa自适应滤波算法的初值,并引入滤波发散判据,在发散时调整误差协方差矩阵,从而对发散进行有效抑制,提高算法稳定性。实验结果表明,该算法可以有效提高测量精度,抑制解算结果的发散。     

相位实时差分技术应用于飞行器交会对接研究

空间飞行器交会对接需要实时高精度地确定两飞行器的相对位置.应用GNSS引导两飞行器交会对接,是GNSS差分原理的一种特殊应用.星载接收机提供的载波相位观测值是高精度定位的基础,但是如何实时可靠地固定相位模糊度仍然是关键技术,提出了一种有效的模糊度实时解算算法,即在宽巷组合的基础上附加选权约束来固定两种不同波长的宽巷模糊度,然后依据组合法直接求解L1和L2相位模糊度整数解.实验结果显示,应用该算法进行模糊度单历元实时解算时,15km以内的短基线,解算成功率大于99%,能满足实时交会对接定位精度的要求.为了验证该算法在空间飞行器对接中的应用,采用仿真的方法模拟了两飞行器逼近和离开的过程,模拟并实时输出星载GNSS观测量.进而应用新算法实时估计两飞行器间相对位置,精度达到厘米级水平.我们的研究不但能进一步完善GNSS相位模糊度解算理论与方法,也可促进GNSS在航空飞行器编队飞行和交会对接等相关领域的应用.     

基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态求解方法

航天器相对姿态求解是编队控制和保持的前提条件,针对远距离编队相对姿态求解问题,提出了一种基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态确定方案.考虑编队由3个航天器组成,每个航天器装备视觉传感器,可以测量到相对其余两个航天器的相对视线矢量,基于视觉传感器测量模型,推导了确定性姿态求解方法,并进行了数学仿真研究.仿真结果表明,多航天器编队相对姿态求解方法可以有效估计出航天器间的相对姿态,估计精度较高,能够满足航天器编队控制需求,解决了远距离编队情况下视觉传感器应用的局限性.      

空中加油受油机自主会合对接控制器设计

为了实现受油机与加油机自主会合对接,提高在会合对接过程中的航迹跟踪性能,设计了一种满足位置跟踪与速度跟踪的制导律,推导了相应的飞控指令。在飞控系统设计上,按六自由度受油机动力学模型,采用时标分离将受油机角运动系统分为快慢回路,采用动态逆分别进行了设计。同样,采用动态逆的方法设计了满足会合对接的速度控制律。最后以无人机自主跟踪加油机实现会合对接为例进行了仿真,结果表明该系统能够引导受油机实现与加油机的会合对接,并具有良好的动态性能。     

五自由度对接缓冲试验台三维转动实现的研究

针对对接飞行器的特性和技术要求，研究了五自由度地面对接缓冲试验台的三维转动实现方法。确定了以三轴转台的形式来实现三维转动。应用模糊有限元理论．设计了质量轻、强度刚度大、适于大撞击的转台框架结构，使整个框架的质量减少8．7％。根据对接初始姿态的设定要求，提出一调整简便、解锁迅速、质量轻、安全可靠的三维姿态调整及锁定装置，并给出相应的计算模型和结果。     

航天器对接过程的动力学建模

航天器对接过程的动力学建模是对接过程动力学仿真的核心内容,该文在描述航天器对接过程的基础上,牛顿－欧拉定理和混合价值 标法对带有大型太阳电池阵的两航天器的对接过程进行动力学建模,建模中将对接系统简化为由追踪飞行器、目标飞行器和主动对接机构组成的三体系统,追踪飞行器和目标飞行器作为带有挠性附件的中心刚体考虑,主动对接机构作为刚性体处理,对于挠性附件用有限元法进行离散。除给出接触撞击模型外,还重点讨论缓冲系统的简化模型,从而构成了对接过程的完整的动力学模型,为对接过程的动力学仿真打下基础。     

针对射频相对测量敏感器的快速标定方法

在卫星编队飞行系统中,射频（radio frequency,RF）相对测量敏感器能够完成两颗卫星的相对位置和姿态的测量,为了验证其测量精度,提出了一种基于激光跟踪仪的快速标定方法.在标定过程中,针对拟合坐标原点和坐标轴产生误差较大的问题,提出了一种基于最小二乘拟合球体和圆的方法,分别确定坐标系的原点和坐标轴;利用坐标系间的固有关系设计了相对坐标系的快速转换方法.在飞行器模拟平台进行验证,实验结果表明,拟合坐标系原点均方根误差为0.120 764 mm,拟合坐标轴轴向的均方根误差为0.157 138 mm,坐标系转换误差的范围为0.30~0.75 mm,能够满足敏感器毫米级定位精度的标定要求.      

低轨道航天器姿态跟踪机动控制研究

某些低轨道航天器在执行任务时 ,需要通过姿态控制系统使其有效载荷 (如星载相机 )在一段时间里连续指向地面或空间的给定目标。文中研究了带 3个反作用飞轮的低轨道航天器的姿态跟踪开展问题。首先根据刚体运动学知识推导出航天器的参考姿态角、参考角速度和参考角加速度表达式 ,然后基于卫星航天器姿态动力学给出了 3个互相垂直安装的反作用飞轮的控制律 ,并利用 L yapunov稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性。最后通过数值仿真计算验证了控制算法的正确性     

空间飞行器对接过程的动力学建模和仿真计算

建立了有内导向瓣周边式对接机构的两空间飞行器对接过程的动力学模型,建模中将对接系统简化为主动飞行器、被动飞行器和主动捕获环三体问题.针对主动捕获环相对于整个飞行器来说质量很小的特点,建模过程中不考虑主动捕获环的质量和转动惯量,只考虑其几何形状特性,利用约束方程确定接触点作用力,通过计算得到了对接机构的相对位移、速度和转角,以及缓冲系统的位移、转角和相互作用力等参数,从而较全面地了解对接动力学过程,对缓冲系统和对接机构的设计具有重要的参考价值.