基于小视场星敏感器_陀螺的飞行器姿态确定算法研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于小视场星敏感器/陀螺的飞行器姿态确定算法研究硕士研究生：王迪指导教师：钱华明教授学科、专业：仪器科学与技术论文主审人：刘繁明教授哈尔滨工程大学2018年1月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于小视场星敏感器/陀螺的飞行器姿态确定算法研究硕士研究生：王迪指导教师：钱华明教授学位级别：工学硕士学科、专业：仪器科学与技术所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C

2、:ADissertationfortheDegreeofM.EngResearchofSpacecraftAttitudeDeterminationAlgorithmBasedonNarrowFOVStarSensorandGyroscopeCandidate:WangDiSupervisor:Prof.QianHuamingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:InstrumentScienceandTechnologyDateofSubmiss

3、ion:January,2018DateofOralExamination:March,2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人

4、承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后

5、即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日基于小视场星敏感器/陀螺的飞行器姿态确定算法研究摘要导航技术的发展及应用使其可以用于多种工作场合，但是单一的导航系统或多或少存在不足，所以我们通过组合导航的方式来弥补各单一导航系统的不足，实现组合系统的最优化过程。在各种的组合导航系统，不能忽视的是惯性导航与天文导航结合的方式。这其中最常用的姿态敏感器就包括陀螺仪、加速度计、星敏感器等。陀螺仪与星敏感器的组合可以克服各自的缺点，是一种常用的组

6、合方式。与大视场星敏感器相比，小视场星敏感器在体积、重量方面具有优势，并且在中低空飞行高度的干扰环境下，小视场星敏感器更不易受到外界环境的干扰。本论文依托国家自然科学基金(61573113)和哈尔滨市创新人才研究专项基金(2014RFXXJ074)，选取小视场星敏感器与陀螺仪进行组合确定系统模型，开展适用于小视场星敏感器的姿态滤波算法的研究。具体工作如下：根据陀螺仪及星敏感器的工作原理建立测量模型。由于实际的姿态估计系统一般属于非线性系统，直接对四元数的轨道动力学方程离散化，得到离散形式的状态方程，而状态方程的噪声项

7、中存在四元数选取产生的耦合噪声项。对耦合噪声项进行了分析，并计算了耦合噪声项的均值及方差。分析了非线性系统不同滤波算法性能及适用条件，针对四元数描述物体的运动状态时存在模糊性问题，根据四元数的乘法特性，选取扰动采样点进行状态及误差方差的估计。基于扩展卡尔曼滤波算法、无迹卡尔曼滤波算法及容积卡尔曼滤波算法的结构，分别运用乘性EKF算法、基于四元数的UKF算法、基于四元数的CKF算法进行姿态估计，仿真分析各算法性能及稳定性，结果表明基于四元数的UKF、CKF滤波算法更适用于初始误差较大的条件。在小视场条件下设计星敏感器与

8、陀螺仪组合的姿态算法。由于小视场能捕捉到的星点数量有限，可能不满足识别匹配的最低要求，存在信息丢失导致识别准确率的下降会影响姿态估计的精度。为了解决星点丢失问题，对导航星表扩充使其增加更多暗星，增加星点识别的时间，给姿态估计带来了延迟时间。针对带量测丢失的不确定性模型，提出了一种鲁棒递推滤波算法，解决了星敏感器信息丢失问题。针对带有量测延迟的不