基于星敏感器的姿态控制与自主定轨算法研究

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1、分类号UDC密级编号中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文指导教师莶室星班窒虽主国耻酆趋鲤翅避申请学位级别蠖±学科专业名称让篡扭座旦擅苤论文提交日期论文答辩日期培养单位圭国科堂随选皇研究随学位授予单位生国科堂随研究生随答辩委员会主席lIIIIlUIIIIIIIlUIY2381651SateIIiteArtirudeControIandOrbitDeterminationBasedOnStarSensorADissertationfortheDoctoraIDegree

2、ofEngineeringintheGraduateSchooIofChineseAcademyofSciencesBywangjIngyInDirectedByLinBaojunChineseAcademyofSciencesJune，2013关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院XXX所有关保存、使用学位论文的规定，即

3、：中国科学院XXX所有权保留学位论文的副本，允许该论文被查阅；中国科学院XXX所可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：关于学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。基于星敏感器的姿态控制与自主定轨算法研究摘要本文

4、以某导航卫星平台为研究背景，从理论研究价值和工程实用性相结合的角度出发，对该卫星姿轨控系统的姿态确定、姿态控制和轨道确定问题进行了方法研究和仿真实验。近年来国内外导航卫星平台的不断发展和更新换代，以及以星敏感器为代表的高精度姿态敏感器的广泛应用，对于导航卫星在定姿精度，姿态控制能力和轨道确定等方面提出了更高的要求，同时由于导航卫星处于地球高轨且要求具有长寿命和高可靠性，因此对于卫星应对各种故障的处理能力提出了更高的要求；另一方面，随着计算机芯片运算速度和处理性能的不断提高，一些适用范围广、鲁棒性较强的非线性滤波算法和非线性控制

5、方法在工程项目中得以应用并取得了不错的效果。本文综合上述观点，结合导航卫星平台任务需求和仿真实验的验证和比较，着重对基于星敏感器的卫星自主定轨，陀螺故障下的单星敏感器定姿，飞轮故障下的欠驱动控制方法以及仅用地球敏感器就能实现的偏置动量偏航机动等方法进行较为深入的研究和探讨。本文首先介绍了国内外导航卫星的发展现状，重点比较了各导航系统的姿轨控系统设计结构以及轨道确定方法。在比较分析了相关滤波算法和控制方法发展现状与优缺点的基础上，明确了以卫星姿态确定、姿态控制方法和轨道自主确定为主要研究内容，介绍了三轴稳定卫星姿态运动系统的数学

6、基础和数学模型，以及卫星环境干扰力矩等。为了能够充分发挥高精度星敏感器的性能特点，并解决工程实践中的星敏感器光轴指向误差影响姿态确定的问题，本论文提出了基于双星敏感器测量数据互相校正的星敏光轴指向校正算法，由双星敏感器输出数据经过各自理想安装矩阵转换后应获得唯一的卫星本体姿态为校正原则，利用基于矩阵转换的扫描比较算法获得各自的指向误差，从而达到彼此校正的目的。该方法和现有的星敏／陀螺校正方法比较具有更好的校正精度。鉴于轨道参数对于保障导航卫星任务执行的重要性，为解决地面测控支持段时间缺失下的卫星轨道确定问题，进行了基于星敏感器

7、校正地球敏感器的卫星自主定轨算法研究，比较了已有的各种自主定轨方法，在充分分析卫星的自主定轨数学模型基础上，针对直接敏感地平定轨方法研究了利用星敏感器校正地球敏感器的相关改进算法，提高了地球敏感器的测量精度，从而提高了基于星敏感器和地球敏感器的自主定轨算法的整体轨道确定精度。针对单星敏感器姿态确定中星敏感器在卫星角速度较大情况下测量数据精度较差的问题，结合非线性预测滤波算法和矢量观测原理，提出了一种基于w矩阵插值的单星敏感器预测滤波定姿方法，通过星敏感器地检设备的测量获得星3敏感器测量精度与卫星转动速度间的函数关系，通过插值算

8、法将该关系融合到预测滤波算法中，从而使得所设计的预测滤波算法能够使单星敏感器在卫星机动情况下仍获得较好的定姿精度，提高单星敏定姿算法的应用范围和可靠度。在卫星姿态控制方面，针对以反作用飞轮为核心执行器的卫星姿轨控系统发生故障情况下的导航任务执行与卫星能演保障的协调问题，研究了