基于磁强计的近地卫星自主定轨算法与仿真研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本课题来源于国防科工委的高技术课题“微型航天器自主生存理论与方法研究”。本文主要对基于磁强计的近地卫星自主定轨问题的理论、算法进行了研究，并通过数学仿真和实时仿真实验验证了其可行性和定轨精度。首先，本文建立了自主定轨系统动力学模型和磁强计测量模型，研究了适用于非线性估计问题的扩展卡尔曼滤波及Unscented卡尔曼滤波理论.在将扩展卡尔曼滤波应用于近地卫星自主定轨问题中时，设计了两种定轨方案，对卫星的位置、速度及地磁场模型系数进行了估计。为进一步提高定轨精度，改善误差收敛特性，

2、研究了Unscented卡尔曼滤波算法，并通过方位跟踪的算例验证了该方法在滤波精度和收敛性方面要好于扩展卡尔曼滤波方法。在此基础上，将其应用于磁强计自主定轨问题中，确定了近地卫星的位置和速度。基于Unscented变换，Unscented卡尔曼滤波算法能够给出更精确的均值和协方差的估计，从而带来更高的精度。其次，本文分别以三轴磁强计的测量标量和矢量信息作为观测量，基于以上滤波理论和方案进呀了数学仿真，并对两种不同算法的仿真结果进行了比较。仿真结果表明:以测量标量信息作为观测量，指定轨道的近地卫星l'定轨误差可在

3、5km以内(3a)，以测量矢量信息作为观测量，相同轨道的工星的定轨误差可在lkm以内(3Q)e最后，在数学仿真基础上建立了两个实时仿真实验:基于磁强计定轨系统和MATLAB/Simulink/xPC集成仿真环境的实时仿真实验;基于磁强计定轨系统和MATLAB/Simulink/dSPACE集成仿真环境的实时仿真实验。实验结果验证了磁强计自主定轨系统的理论、方案的正确性和系统的实时运行特性等。关键词自主定轨;磁强计;扩展卡尔曼滤波;Unscented卡尔曼滤波实时仿真哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Abstract

4、ThisworkispartofafundamentalresearchprojectforNationSecurity"TheoryandMethodologyforMicro-SatelliteAutonomousSurvival".Thetheoryandthealgorithmforautonomousorbitdeterminationoflow-earth-orbiting(LEO)satellitebasedonthemeasurementdataoftheonboardmagnetometera

5、restudiedandtheirfeasibilityandperformanceareverifiedusingnumericalsimulationsandreal-timesimulations.First,theorbitaldynamicmodelandtheobservationmodelsformagnetometerbasedautonomousorbitdeterminationsystemarepresented.Twotypesoftheobservablesareused:themag

6、nitudeofthethreedimensionalgeomagneticvectorandthevectoritself.Twononlinearfilteringmethodsforautonomousorbitdeterminationarestudied,namely,extendingKalmanfilteringandunscentedKalmanfiltering.ThefirstextendedKalmanfilterestimatesthespacecraftpositionandveloc

7、ityonlywhilethesecondextendedKalmanfiltersimultaneouslyestimatesthespacecraftorbitandthefirstthreeGaussiancoefficientsofthegeomagneticfieldmodel.Inordertofurtherenhancethesteady-stateaccuracyandtheconvergencepropertyoftheorbitdeterminationsystem,anunscentedK

8、almanfilterisappliedtotheschemeofspacecraftpositionandvelocitydetermination.Anexampleofbearings-onlytargettrackingisgivenaswelltoshowthebetterperformanceoftheunscentedKalmanfilterovertheextended