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时间:2020-03-26
《基于四元数的UKF多传感器卫星姿态确定.pdf》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、上海航天第29卷2012年第2期AERoSPACESHANGHAI文章编号:1006—1630(2012)020013—05基于四元数的UKF多传感器卫星姿态确定陈志明,王惠南,刘海颖(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)摘要:对采用磁强计和太阳敏感器的卫星姿态模型,应用无迹卡尔曼滤波(uKF)算法确定卫星姿态。由四元数描述姿态,在算法中将其转换成旋转矢量,另设计了四元数求均值的迭代算法,解决了四元数在UKF算法中的处理。仿真结果表明:广义卡尔曼滤波(EKF)算法对初值依赖性较大,UKF算法不受初值影响且精度高于EKF,具快
2、速性、精度高和稳定性强等优点。关键词:卫星姿态测量;四元数;无迹卡尔曼滤波;矢量观测中图分类号:V448.22文献标志码:ASatelliteAttitudeEstimationwithMultisensorBasedonQuaternionUsingUKFCHENZhi—ming,WANGHui—nan,LIUHal—ying(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Naniing210016,Jiangsu,China)Abs
3、tract:AttitudebasedonquaternionwasestimatedbyunscentedKalmanfiltering(UKF)arithmeticforasatellitemodelwithmagnetometersandsunsensorsinthispaper.Thequaternionwastransferredintorotationvectorinordertomatchthearithmetic,andthealgorithmwasdesignedtocalculatethemeanquaterniont
4、osolvethetreatmentofthequaternioninUKF.ThesimulationresultsshowedthatUKFalgorithmwasunaffectedbyinitialdataandmoreeffectivewithhighprecisionandstabilization,whileEKFalgorithmwasreliedontheinitialconditionverymuch.Keywords:Satelliteattitudeestimation;Quaternion;UnscentedKa
5、lmanfiltering;Vectorobservation0引言计算量与EKF同阶,且无需计算雅可比矩阵引。因多年来,卡尔曼滤波算法是姿态确定中的重要此,采用UKF效果较EKF更佳。与欧拉角相比,工具,是多传感器信息融合技术的主要算法
6、】]。在用四元数描述卫星姿态不具奇异性,其计算效率也较旋转矩阵更高。为此,本文对基于四元数的非线性系统中广泛采用的EKF是通过对非线性函UKF多传感器卫星姿态确定进行了研究。数的Taylor展开式进行一阶线性截断,从而将非线性问题转为线性,但当Taylor展开式高阶项无法忽略时,线性化会产生较大的误差。
7、另外,EKF需计1UKF滤波算法算雅可比矩阵,计算量大。UKF算法则使用采样方由刚体定点转动理论中的欧拉定理:刚体绕固法近似非线性分布处理非线性[2]。UKF以无迹变定点的任一位移,可由绕通过此点的某一轴转过一换(UT)为基础,采用卡尔曼线性滤波框架。计算精个角度而获得,有度至少达到2阶l3]。采用特殊的采样策略,如高斯一∞/J∞J;分布4阶采样和偏度采样等可获得更高阶精度,其l一l∞lAt.式中:为单位时间间隔;∞为刚体转动角速度;e为此次转动所绕转动轴的方向;声为绕该轴转过的收稿日期:2009—07—06;修回日期:200908—12
8、角度。相应四元数表达式为作者简介:陈志明(1982),男,硕士生,主要研究方向为卫星姿态控制、卫星编队飞行、星务管理。q一[q0q1q2q3]一上海航天AEROSPACESHANGHAI第29卷2012年第2期[[],㈩(是+1l愚)一∑w;((忌+1I忌)一(尼+l=0且满足约束条件(qo)+(q)+(g)+(q3)一1。1l忌))((足+1l是)一(尼+11忌)),(9)四元数的本质描述是坐标转换,不仅反映相对(忌+1I忌)一hEx7(+1l志),“(忌),参考坐标系的姿态,而且可视作姿态机动参数。(愚+1)],(10)2L令姿态机动
9、前姿态参数q一[q。q],机动后姿态(是+1l是)一∑WTZf(惫+1I忌),(11)参数q一[q。口];姿态机动参数△q—i=02LI-Aq。△q],则有P(忌+1l愚)一∑W;(Zi(k+
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