卫星星敏感器视场建模与仿真研究

卫星在运行过程中,星敏感器视场若受到太阳光、月球反射光等杂散光影响,将会大大降低星敏感器指向精度。通过调用卫星工具包STK(SatelliteToolKit)高精度轨道预报模块与高级分析模块,利用STK\Matlab无缝接口与Matlab进行数据交互,建立了星敏感器视场分析模型,并完成了杂散光进入星敏感器视场可视化仿真。研究方法和仿真结果对于星敏感器的工程设计、提高星敏感器精度及准确性具有一定的借鉴意义。     

一种利用星敏感器对陀螺进行在轨标定的算法

为确保姿态测量器件长期在轨工作精度、提高姿态确定精度,针对典型的陀螺和星敏感器联合定姿方案,推导了一种星敏感器/陀螺在轨标定算法。考虑到卫星姿态测量过程中的几种主要误差源,建立星敏感器和陀螺标定模型,首先用递推算法对星敏感器单独在轨标定,然后采用Kalman滤波对星敏感器和陀螺同时进行在轨标定,对误差进行实时补偿,有效地提高了星敏感器和陀螺的测量精度,与同类算法相比,为卫星姿态确定提供了更加丰富的信息。最后对该算法进行了数学仿真,仿真结果验证了算法的有效性。     

基于星敏感器的最小二乘估计自主定轨方法

基于星敏感器的航天器自主定轨,不同于基于GPS和跟踪与数据中继卫星系统的自主定轨,它是采用星敏感器对背景恒星的观测资料进行定轨.使用第一类无奇点根数状态微分方程,利用星敏感嚣视场中的多个恒星以及底片坐标,计算视场中心天球坐标的最优估计值,从而建立条件方程,采用最小二乘估计快速确定航天器的轨道.这种方法可以彻底摆脱航天器定轨对地面测控设备的依赖,实现真正的自主定轨.该方法的实现大大降低了航天任务的成本,同时,可缓解地面测控资源的紧张和冲突问题.     

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。     

全天球地面动态星模拟器算法研究

为了对星敏感器的软件开发以及自身性能进行地面测试,提出了一种动态的全天球星图模拟算法。该算法可以为星敏感器提供任一时刻,任一惯性坐标系指向下的模拟星图。提出了一种新的天区划分方法,采用分区检索的方法选取导航星,可以大大提高星模拟器星图更新频率。分析了星点成像模型,使得仿真出来的星图更接近真实情况。充分考虑了星云星团、月光、太阳光等干扰进入星敏感器视场的情况,并采用蒙特卡罗方法,让这些干扰情况随机出现在模拟星图中,可以更好的测试星敏感器软件的鲁棒性。     

基于星图匹配的导弹初始定位定向方法研究

论述了星敏感器捷联在弹体上,采用星图匹配技术修正导弹初始定位、定向的原理。提出了一种适用于星光制导的凸多边形算法,简化了弹载星表。由星敏感器视场中的星图,可生成唯一的最大凸多边形,基于凸多边形的星图识别算法可同时获得多颗星的瞬时位置,由此可获得弹体在赤道惯性系和发射点惯性系中的姿态及其关系。最后导出导弹初始定位、定向误差的数学表达式。仿真结果表明该方法的有效性。     

基于多元统计的卫星姿态控制系统故障诊断

能够对姿态控制系统的故障进行快速准确的诊断是卫星等航天器安全运行的重要保障之一.通过分析卫星姿态控制系统的数据特点,采用主元分析法对敏感器进行故障诊断.经分析,主元分析法不仅能快速检测出故障,还可以辨识出故障类型:并提出利用均值贡献率方法进行故障隔离,减少传统故障隔离法出现的误诊问题.通过对各敏感器典型故障的仿真分析验证了该方法的有效性.     

基于最优路径的多视场全天自主星图识别

为提高低成本小视场星敏感器在全天自主星图识别模式下的识别成功率,提出一种基于最优路径特征的多视场星敏感器星图识别方法。通过多视场观测星图的星图间识别,得到融合后的星图,设置随机分布在星图中主星邻域内各星的蚁群,以迭代的方法得到遍历各星的最优路径,以路径的几何特征作为与导航星库进行匹配的依据。与现有方法相比,该方法表现出高识别率以及针对位置和亮度噪声良好的鲁棒性。     

面向空间目标监视的星图模拟器设计与实现

提出并实现了一种应用于光学空间目标监视地面仿真实验的目标模拟器系统。目标模拟器系统以高性能图形工作站和液晶显示器为硬件，通过软件方法，动态表现恒星、日、月、地球等自然天体对敏感器的光学特征，并通过建立球面光反射模型，模拟出自然环境中的空间目标航天器。系统可作为空间目标监视敏感器的地面仿真实验的目标模拟器，亦可以应用于星敏感器的地面实验。     

天文导航系统半物理仿真研究

由于航天实验费用大,为测试星敏感器性能和星图识别算法,需在地面构建天文导航半物理仿真试验平台。从检验星敏感器性能、加快其样机研制周期、降低成本、提高效率的目的出发,设计构建了一个实用性强的天文导航半物理仿真系统;着重介绍了此系统的组成、结构和各模块的功能;叙述了系统的实现方法和相关性能指标。它具有一定的灵活性和可扩展性。最后利用所构建的半物理仿真系统,对星图识别算法和星敏感器性能进行了静态和动态的试验。试验结果显示该系统满足和达到了规定的性能指标。     

基于光线跟踪的碰撞检测技术

基于光线跟踪原理,将光线跟踪算法中光线与物体求交的运算方法运用到虚拟现实的碰撞检测技术中,介绍了光线与平面、球面、二次曲面的碰撞求交及碰撞响应,在VC平台和OpenGL下精确地实现了模型小球的碰撞检测。     

基于Vega Prime的航天器视景仿真中的多坐标系问题

正确理解、掌握和综合运用多种坐标系统是航天器视景仿真开发过程中至关重要的基础所在，也是开发过程中较大的一个难点。首先对航天器视景仿真中经常使用的坐标系统进行了分析，然后蛤出了在VegaPrime环境中定义、创走和使用不同坐标系的方法，最后还给出了不同坐标系间位置和姿态数据的转换方法。文中给出的开发思路对于远程导弹、运载火箭、人造卫星等各类航天器的视景仿真开发都具有很高的通用性和实用性。     

载人飞行器在轨视景仿真图像抖动研究

在航天员训练用的飞行程序训练模拟器视景仿真中,为了获得较好的视景图像效果,往往需要使用GPU进行视景仿真计算,然而载人飞行器在轨飞行时,飞行器相对地球惯性坐标系位置数据值大,已超出单精度GPU有效表达范围,导致视景图像抖动.详细分析视景图像抖动产生的原因,给出消除图像抖动的仿真方法,并提出评估图像抖动大小的计算方法.最后,以计算用例对比该计算方法与观察实际仿真图像效果,证实了该计算方法的有效性.该计算用例同时验证了消除图像抖动仿真方法的合理性和有效性.     

基于星敏感器的星光折射卫星自主导航方法研究

研究了基于星光折射量测进行自主确定卫星姿态及轨道的方法。这种导航方案利用高精度的CCD星敏感器,结合星光穿越大气的较精确的数学模型,来间接敏感地平,从而实现对卫星的精确定位和定姿。为了说明所提导航方案的有效性,采用推广卡尔曼滤波算法,结合模拟的测量数据对自主定轨进行了仿真。仿真结果表明,定轨精度优于100m。还分析比较了采样周期、星敏感器精度、恒星数目等因素对定轨精度的影响。总结了其变化规律,可用于提高卫星自主定轨精度。     

一种防空导弹毁伤效果评估仿真方法

研究了一种配有激光近炸引信的防空导弹毁伤效果评估仿真方法。以仿真软件Vega为基础,实现了弹目交会的视景仿真;应用碰撞检测技术模拟激光近炸引信的目标探测。并利用包围体方法提高碰撞检测速度,解决了目标遗失问题;通过计算破片击中目标的数量和部位,实现了对导弹毁伤效果的量化评价。在此基础上,开发了"防空导弹毁伤效果评估"仿真软件,并在导弹引信设计中进行应用,验证了算法的有效性。     

基于星敏感器/红外地平仪的自主导航算法研究

星敏感器和红外地平仪直接敏感地平的天文导航方法简单、可靠,但其导航精度主要取决于红外地平仪,因此导航精度相对较低.间接敏感地平利用星敏感器现测折射星得到地平信息,但是由于折射星数量有限,故不能连续提供观测信息.因此提出了一种将直接敏感地平和间接敏感地平相结合的信息融合自主导航方法,对两种导航模式的原理和观测方程进行了详细分析和推导.采用自适应扩展卡尔曼联合滤波算法进行数值仿真.通过对数值仿真结果分析,证实该方法既提高了系统导航精度,又增强了系统可靠性.     

基于改进因子图模型的航天器组合姿态确定算法

航天器姿态确定是航天器姿轨控制、在轨正常运行的关键, 针对航天器多姿态传感器存在测量噪声非高斯分布、可能出现敏感器失效和故障等问题, 提出了一种基于改进因子图模型的航天器组合姿态确定方法。通过建立因子图模型, 将地磁/星敏/陀螺测量信息作为因子节点加入因子图模型, 利用观测蒸馏法对观测数据集进行提炼以及自适应调整, 实现对航天器的姿态确定。在复杂条件下, 该方法扩展性强, 可以实现即插即用, 合理而充分的利用其他姿态测量信息, 避免了基于卡尔曼滤波算法中的复杂系统重构过程, 从而有利于多传感器融合。实验结果表明, 在进行复杂条件下的地磁/星敏/陀螺组合定姿仿真时, 该算法可行有效; 有传感器切换时, 具有较好的动态稳定性, 实现了即插即用。该方法灵活度高, 为解决复杂条件下的多传感器组合定姿提供了新思路。     

卫星自主定轨中轨道摄动仿真

本文针对组合大视场星敏感器卫星自主定轨方法,建立了地球非球形摄动下的广义卡尔曼滤波仿真模型,滤波过程采用了新的改进算法。通过计算机仿真,说明该自主定轨方法具有很高的位置、速度均方误差估计精度且算法是收敛的。计算给出了一日内的卫星轨道,反映了在地球非球形摄动下轨道的变化情况,且对轨道面的进动进行了计算。     

具有预设性能的近距离星间相对姿轨耦合控制

针对存在系统不确定性和外界干扰的接近绕飞阶段跟踪航天器相对目标航天器的姿态与轨道一体化控制任务,设计了一种具有预设性能的鲁棒反演控制器。该控制器能预先设计系统的稳态与暂态性能,保证相对姿轨跟踪误差满足预先设计的性能指标要求;为避免传统反演控制方法中存在的“微分膨胀”问题,引入滑模微分器对虚拟控制量的导数进行估计;同时利用自适应控制技术估计不确定模型参数及包含滑模微分器估计误差和外界干扰的集总干扰上界,并引入鲁棒补偿项处理这些不确定性带来的影响。理论分析证明所设计的控制方法能保证相对姿轨跟踪误差满足预设性能指标要求,仿真结果验证了所设计控制方法的有效性。     

采用VR技术的集装箱吊装模拟器原型机的研究

介绍了集装箱吊装模拟器原型机的系统构成。根据拉格朗日运动方程建立了系统的运动模型,并在模型中增加了对集装箱吊减摇系统的仿真。仿真结果表明,所建立的运动模型可以模拟由于加速运动所产生的货物不规则摇摆及在减摇控制装置起作用时,货物摇摆角的收敛情况。尝试采用一种基于层次结构和均衡二叉树的面向对象实时三维碰撞检测技术,实现了虚拟场景的实时碰撞检测。视景系统采用半球形显示系统,满足系统对垂直视场角的要求,具有较强的沉浸效果。