基于矢量观测确定飞行器姿态的算法综述

随着无陀螺飞行器的出现 ,关于矢量定姿算法的研究已引起重视 .这方面的理论基础比较薄弱 ,有待解决的问题还很多 ,为给今后的研究工作提供有用的参考 ,按照确定性算法与状态估计法的分类原则 ,介绍近几十年来国外研究者在矢量定姿算法研究方面所取得的主要研究成果 ,阐述典型算法的基本思想及其发展状况 ,并进行比较分析 .结合航天科技发展现状及趋势 ,特别指出了无陀螺矢量定姿法研究的重要现实意义 :不仅为促进小型 (无陀螺 )飞行器的发展奠定了理论基础 。

矢量观测确定卫星姿态的预测粒子滤波算法

在矢量观测的基础上,针对单独的星敏感器定姿,提出了一种将粒子滤波(PF)和预测滤波相结合的姿态确定算法,通过设计粒子初始化,结合重要性采样、重采样和规则化等手段,成功地将姿态四元数作为状态粒子进行更新和传递,避免了状态方程的线性化和协方差矩阵的计算;利用预测滤波算法估计模型误差和姿态角速度,在保证滤波精度的同时,有效降低了粒子滤波器的维数。实验在某对地观测通用小卫星平台上进行,选取卫星自由飞行状态和飞轮控制对地稳定模式,分别对滤波器进行了仿真,实验结果验证了该算法对本质非线性、非高斯的卫星姿态估计问题具有快速的收敛性能和良好的稳定精度。该方法还为粒子滤波器的设计和无角速度敏感器测量的飞行器姿态确定提供了借鉴。

基于矢量观测确定卫星轨道姿态:欧拉角估计器

针对“矢量观测+陀螺”这种典型的三轴稳定卫星姿态确定系统配置模式,采用欧拉角作为姿态参数,应用扩展卡尔曼滤波技术综合处理姿态测量信息,给出了具有良好滤波性能的轨道姿态估计算法。在算法的设计过程中,针对单矢量观测情况,通过改进协方差修正算法加快了状态估值的收敛速度;针对多矢量观测情况,把QUEST法作为矢量观测数据压缩技术有效地结合进姿态估计器中,使得在多矢量观测情况下的滤波修正算法得到了简化。

基于矢量观测的陀螺故障诊断算法

卫星在轨运行期间,采用反作用轮进行姿态控制及推力器进行位置保持,星体惯量会发生改变并存在控制力矩.提出了一种基于运动学方程的矢量观测算法应用于陀螺故障诊断,采用广义罗德里格参数描述卫星姿态,避免了四元数存计算过程中出现模值不为一的情况;计算过程中采用四元数进行姿态运动学计算,避免了广义罗格里德参数复杂的积分运算.针对陀螺突变和缓变两种故障,分别在角速度幅值变化很小和幅值缓慢减小两类情况下进行仿真.仿真结果表明,该算法可有效估计星体角速度,在上述两类情况下均能准确地对突变和缓变故障进行诊断,不受星体惯量变化和控制力矩的影响,并且计算量较小,对工程应用具有较好的参考价值.

基于矢量观测的最小方差姿态估计算法(英文)

提出了适用于航天飞行器单点实时姿态估计的间接姿态估计算法(IRQE)。该算法在精度上与目前使用的算法(QUEST)相同,而计算速度更快,并且没有奇异。通过协方差分析证明:在给定权系数和测量误差为零均值高斯噪声假设下,IRQE算法得到的姿态估计既是最小方差估计,又是极大似然估计;同时,其方差达到了Cram er-Rao下界,这意味着其精度在所有无偏估计中最佳。

基于矢量观测的航天器分段信息融合定姿方法

针对基于MEMS(微机电系统)陀螺和CMOS APS星敏感器的集成惯性/星光姿态确定系统的低精度特点,研究了适用于该定姿系统的基于矢量观测的定姿算法.对于陀螺/星敏感器这种配置模式,有EKF(Extended Kalman Filter)、QUEST、最优REQUEST等几种适用的定姿算法.针对EKF和最优REQUEST算法的不同特点并结合确定性算法QUEST,以四元数为姿态参数,将姿态估计的EKF方法分别与QUEST算法和最优REQUEST算法进行了融合,提出一种分段信息融合的姿态估计器:陀螺漂移估计误差较大时,将EKF与QUEST结合,快速估计出陀螺漂移.当陀螺漂移误差减小到一定程度,再切换为EKF与最优REQUEST算法融合的双重滤波器.仿真比较结果表明,这种分段信息融合的姿态估计器既可以估计姿态参数也可以估计陀螺漂移,并能达到很高的定姿精度.

大视场星敏感器矢量观测在轨检校模型

针对大视场星敏感器的在轨标定问题,提出了一种基于矢量观测的检校新模型。将3个罗德里格参数代替欧拉角,作为外方位参数与畸变参数、内方位参数一起求解,简化了运算。采用仿真星图分析了模型的性能,结果表明,该模型较采用欧拉角的传统标定模型精度更高,在星点位置噪声方差为0.05 pixels的情况下,仍能准确解算出星敏感器参数,其星内角距的统计偏差为0.483?,x、y方向的残差绝对均值分别为0.019 pixels、0.016 pixels,且算法的参数设置简单,无需计算初值。将检校模型应用于ZY-3号卫星星敏感器的检校,结果表明模型可以有效提高检校的精度。建议在实际应用中采用精度更高的星点中心计算算法。

基于GPS矢量观测信息的姿态确定算法(英文)

用于GPS姿态确定的矢量化算法可等价于两级最优问题。第一级把GPS载波相位观测量转换为矢量观测量。第二级是Wahba问题,即从矢量观测量获得最佳姿态解。Wahba问题可用四元数法求解,如QUEST方法。本文采用基于小角度的迭代法求解Wahba问题。在均衡星座或均衡基线条件下,两级最优解亦是全局最优解。实验结果表明迭代解的精度与QUEST解相同。实验中也应用了改进的TRIAD算法以比较两级最优解。

一种改进的基于双矢量观测的姿态确定算法

为了提高飞行器姿态确定的精度和姿态矩阵的解算速度,提出了一种改进的双矢量定姿算法.这种算法利用测量系统的方差对两个观测矢量进行加权处理,求得一个新的矢量,以两观测矢量夹角为判断依据选取加权系数;以新矢量为基准矢量,利用双矢量定姿算法求解姿态矩阵,并对求得的姿态矩阵进行修正.仿真结果表明:这种算法所需时间为优化算法的50%,当两个传感器测量误差不同、两矢量为任意夹角时,这种算法比优化的双矢量算法精度高;当两个传感器测量误差相同时,除了两矢量夹角为90°外,这种算法均比优化的双矢量算法精度高.

基于不完整双矢量观测的三轴姿态确定算法

基于多个矢量观测的姿态确定算法主要有三轴姿态测定(TRIAD)算法和基于Wahba问题的最优姿态确定算法,这些算法至少需要两个非共线矢量的完整观测信息,事实上,两个非共线矢量的完整观测信息对于确定姿态是信息冗余的。基于几何原理提出了在给定不完整双矢量观测信息时的最简姿态确定算法,它只需要包含两个非共线矢量的3个元素和剩下3个元素中的部分元素的有限信息(如符号或粗略值)就可姿态确定,通过实验验证了所提算法的有效性。最简姿态确定算法在自校准、设备自检以及优化姿态确定算法等方面有潜在的应用价值。

GPS矢量观测确定载体的三轴姿态

利用GPS确定姿态是90年代兴起的一项新技术,GPS可为载体提供全球、全天候、精度稳定的三轴姿态,使GPS成为可同时测量位置、速度、时间和姿态甚至角速度的13维全能型敏感器。本文从理论和实验两方面研究了基于GPS的矢量观测定姿算法,包括两种基于矢量观测的定姿算法和3种形式的载波相位观测量转换为矢量观测量的方法,研究了GPS星座对此类转移精度的影响。取得了较满意的实验结果,验证了算法的有效性和理论分析的正确性。

地磁矢量观测在民用航空领域中的应用

本文主要通过两个工程案例——AIRBUS320系列飞机天津总装线试车设施区域磁环境空间分布勘测、香港机场磁罗经校正场的复核及所取得有效的、高精度的工作成果，详细地介绍了地磁矢量观测方法在民用航空领域磁的应用即罗盘校正场区域内磁环境勘选及复核。

基于正则化观测矢量的H无穷粒子滤波红外目标跟踪方法

提出了一种新颖和鲁棒的红外图像序列中的目标跟踪方法。由于H无穷滤波器在系统噪声源不能确定或是未知的情况下具有较好的预测性能,所以以其估计得到的预测信息来分配粒子滤波算法的粒子。为解决粒子滤波的"采样枯竭"问题,正则化了H无穷粒子滤波器的观测矢量。同时,通过计算每个目标的亮度和局部标准差分布构成级联核的目标模型,以用于计算粒子集中各个粒子的加权值。对于目标的尺寸和表观信息变化的情况,以目标区域像素灰度值零阶矩的函数来调整跟踪窗口的大小,模型更新则通过更新目标模型的每个量化阶来实现。实验结果证明了所提出的红外图像目标跟踪方法是有效的,并且优于所比较的算法。

多重观测矢量模型下的微动目标特征提取

针对传统基于压缩感知(CS)理论的微动目标特征提取方法不适用于宽带雷达目标的情况,以线性调频信号体制雷达为例,通过分析微动目标回波的内在特性,构建了一种微动目标回波的多重观测矢量(MMV)模型。结合频率估计算法与正交匹配追踪(OMP)算法进行MMV模型的稀疏表达求解,从而获得微动目标的特征参数。仿真结果表明,与传统基于单重观测矢量(SMV)模型的微动特征提取方法相比,噪声环境下采用MMV模型进行微动特征提取具有更强的鲁棒性。

基于永磁无刷轮毂电机的矢量跟踪观测器研究

在电动汽车轮毂电机直接驱动应用时,为避免出现较大转矩脉动,高精度的位置信息十分关键。提出一种改进方法,用于永磁无刷轮毂电机的正弦波矢量控制。矢量跟踪位置观测器结合霍尔传感器的输出信号可精确地提取出转子位置信息,结构包括基于定子侧反电动势向量的位置误差检测器和使位置误差快速收敛到零的比例积分型控制器。该结构不仅解决了霍尔传感器的低精度的缺陷,而且还增强了它们的动态位置检测能力。所提出的方法已经用于永磁无刷轮毂电机汽车驱动器中并进行了实验验证。

基于多观测矢量和LDPCA的分布式视频编码

分布式视频编码与压缩感知技术都有助于将计算复杂度从编码端向解码端迁移,已有研究显示两者的结合可能提高分布式视频编码系统的性能。基于传统分布式视频编码框架,借助多观测矢量稀疏重建技术,设计了一种混合压缩感知和LDPCA的分布式视频编码系统。首先根据稀疏度对频带数据进行划分,再分模式进行编码表示,其中非零系数较多的低频频带使用LDPCA技术进行压缩;而对稀疏度较高的高频频带,使用多观测矢量的压缩感知技术以求进一步利用频带间的相关性。仿真结果表明,系统的性能优于LDPCA的变换域分布式视频编码系统。

组合导航系统状态／观测矢量融合算法比较

本文对组合导航系统中所采用的状态矢量融合和观测矢量融合两种数据融合算法进行了比较，分析了其优缺点，并针对一个两ＧＰＳ子导航系统／ＳＩＮＳ组合导航进行了仿真计算。

模糊观测矢量融合算法在组合导航中应用

在由平台式惯性导航系统、多普勒计程仪、全球卫星定位系统(GPS)和罗兰-C导航系统构成的组合导航系统中,采用观测矢量融合算法进行融合。针对整个系统的适应性要求和容错要求,提出在组合导航系统中采用融入模糊控制器的观测矢量融合算法,并通过计算机仿真验证该算法是可行和有效的。

永磁同步电机带反馈解耦矢量跟踪观测器研究

为进一步实现电机全速度范围内的稳定运行,获得高精度的转子位置和转速,改善低速时转速响应性能,提出一种永磁同步电机新型矢量跟踪观测器方法。研究带反馈解耦的矢量跟踪观测器,结合速度二阶预估法,通过对解耦的基波分量进行最小二乘法曲线拟合,并设计自适应因子中和速度二阶预估法与最小二乘法,解决带反馈解耦的矢量跟踪观测器低速时估算结果波动大和观测器不稳定的问题。仿真结果表明,新型矢量跟踪观测器方法具有可行性。

一种基于矢量化观测量的四元素GPS测姿法

提出了一种利用GPS载波相位信号为观测量的测姿新方法，它是以Shuster提出的矢量化观测量方法为出发点，在此基础上将一般的以态阵为变量的损失函数（cost function)转化为以单位四元素为变量的Wahha's loss function)的形式，并进一步转化为简单的四元素的二次型的问题，本算法的特点是计算简单，精度高，不需要迭代，实时性好，为了比较，还做了利用奇异值分解法求解姿态阵，仿真试验表明本文提供的算法明显的优越于（SVD）算法。本文还尝试性的讨论了Wahba问题与一般的损失函数之间的关系，在此基础上讨论了解的最优性问题。