利用修正罗德里格参数进行飞行器姿态估计

给出了一种利用修正罗德里格参数 (Modified Rodrigues Parameters)进行姿态估计的算法。该算法用于利用矢量观测的无陀螺姿态和姿态角速度的确定 ,采用切换方法处理了修正罗德里格参数的奇异性问题 ,修正罗德里格参数的误差定义为从估计姿态到真实姿态的旋转。根据姿态误差运动方程 ,用扩展卡尔曼滤波方法设计了姿态和姿态角速度估计器 ,用数值算例验证了算法的可行性。

UKF在基于修正罗德里格参数的飞行器姿态确定中的应用

UKF是一种新的非线性滤波方法,在状态的时间更新阶段直接使用非线性模型,不引入线性化误差,而且不必计算Jacobi矩阵,相对于扩展卡尔曼滤波(EKF)不仅能提高滤波精度,而且更容易实现。修正的罗德里格参数(MRPs)是一种飞行器姿态参数,相对于四元数姿态参数,用MRPs表示飞行器的姿态时,状态误差方差不会产生奇异性,并且能在一定程度上减小估计的计算量。本文针对MRPs表示的无陀螺飞行器姿态系统,利用UKF设计了姿态估计器,并通过仿真验证了算法的有效性。

修正型罗德里格参数姿态算法研究

阐述了修正型罗德里格参数(modified Rodrigues parameters)与等效旋转矢量的关系。提出了通过等效旋转矢量调整避免修正型罗德里格参数奇异性的方法。推导了采用修正型罗德里格参数的姿态更新算法。通过仿真和实验对比分析了分别采用修正型罗德里格参数和四元数的计算量和计算精度。结果表明,修正型罗德里格参数法与四元数法相比在不损失计算精度的前提下减小了计算量。

基于罗德里格参数的线性最优估计自对准

针对车载捷联惯导系统怠速条件下的初始对准问题,提出了一种基于罗德里格参数的线性最优估计自对准算法。利用姿态阵分解和凯莱变换,将任意姿态下的无初值初始对准问题简化为罗德里格参数的无约束线性最优估计问题。讨论了算法的有效性,推导了算法的对准误差公式,并设计了一种简洁的工程实现方案。利用车载捷联惯导系统进行了四位置对准试验,每个位置对准六次,结果表明,在发动机振动及外界随机扰动下,新算法可以在5 min内完成对准,统计方位均方差(1σ)不超过3′。

基于UPF的修正罗德里格参数卫星姿态估计

粒子滤波(PF)在卫星姿态估计中解决了非高斯分布的情况,在粒子滤波的基础上,利用修正罗德里格参数(MRPs)表示姿态,用动力学方程进行角速率的传播,提出将采样粒子滤波(UPF)算法应用到基于MRPs的卫星姿态估计中,该方法通过UKF得到粒子滤波的重要性采样函数,更充分地利用了最新的量测信息。仿真结果表明,这种基于UPF的姿态估计方法能够获得比UKF和标准PF更高的滤波精度,并且具有更好的滤波稳定性。

无陀螺下基于修正罗德里格参数的星体姿态确定

介绍了修正罗德里格参数(MRP),分析比较了姿态表示参数修正罗德里格参数和四元数的算法特点。通过仿真计算,比较了当卫星受一阶马尔柯夫干扰力矩作用和CCD星敏感器为唯一星载角运动传感器时,分别用修正罗德里格参数和四元数作为姿态表示参数,采用UKF(Unscented Kalman Filter)估计卫星航向、姿态及相应角速率的滤波效果。结果表明,用修正罗德里格参数法的姿态解算精度比用四元数法的姿态解算精度高,且计算效率明显优于四元数算法,计算量仅相当于四元数算法的一半,这是由于四元数的规范化条件(即模值为1),在姿态确定中会导致误差协方差阵奇异,而修正罗德里格参数虽然不是全局非奇异的,但是可以通过切换方法解决奇异性问题。

基于修正罗德里格参数的小卫星SSUKF姿态确定

用无陀螺的三轴稳定偏置动量小卫星三轴磁强计和太阳敏感器获得观测矢量,提出了一种基于超球面分布采样Unscented变换滤波(SSUKF)和修正罗德里格参数(MRPs)的姿态估计方法,给出了算法模型。SSUKF在保证滤波性能的基础上减少了采样点个数,减轻了星载计算机的负载;用MRPs描述小卫星姿态大幅减少了计算量。某小卫星的仿真结果表明:算法兼顾了精度、收敛速度和鲁棒性,且提高了计算效率,适于小卫星。

基于UKF与修正罗德里格参数的GPS/陀螺组合姿态确定

提出了一种用于GPS/陀螺组合姿态确定的Unscented卡尔曼滤波(UKF)方法。采用姿态的修正罗德里格参数(MRPs)表示法,以消除状态误差方差阵的奇异性,建立了GPS/陀螺组合姿态估计系统的模型。仿真结果表明:与基于扩展卡尔曼滤波(EKF)相比,UKF的收敛速度更快、精度更高,且不同滤波器初值对稳态精度的影响较小。

基于广义罗德里格参数的恒星相机和陀螺联合测姿方法

在恒星相机和陀螺联合测姿时,不准确的初始状态会引起测量更新后的四元数不满足归一化的要求。针对此问题,提出一种基于广义罗德里格参数的UKF姿态确定方法,基于广义罗德里格参数构造的误差四元数进行乘法更新,保证了四元数的归一化性质。同时,针对恒星相机的非线性观测方程,采用UKF进行状态估计,避免了高阶信息的损失。将该方法应用于旋转航天器的姿态估计试验,并与传统EKF方法对比。结果表明,在初始姿态存在较大偏差时,所提出方法较传统四元数强制归一化方法,测姿精度提高约0.6°;在初始姿态和陀螺零漂误差叠加时,传统EKF方法出现震荡,所提出方法测姿误差仍然可收敛至0.1°,具有更优的稳健性。

基于修正罗德里格参数的绳系卫星动力学模型

针对基于欧拉角的绳系卫星动力学系统模型在面外角的余弦函数为0时,面内角变得不稳定的奇点问题,提出一种基于修正的罗德里格参数和其阴影相结合的绳系卫星系统动力学模型。在证明了其在消除奇点问题可行性的基础上,进行了仿真,实验结果表明该模型在消除奇点的优势下,修正的罗德里格参数及其阴影的非连续性转换并不会影响到欧拉角的连续性变化和表示,具有全局性。

修正型罗德里格斯参数在旋转弹上的应用(英文)

光纤陀螺可应用于旋转弹导航上,以提高其精确打击能力。基于光纤陀螺的捷联惯性导航系统是实现这一目的的重要手段之一。其中,姿态更新算法是捷联惯性导航系统的核心。针对旋转弹短时、近程的特点,提出一种基于修正型罗德里格斯参数的全姿态更新算法,并给出适合旋转弹姿态确定的数学模型。仿真结果表明与传统姿态更新算法相比较,新算法可以更有效的抑制不可交换误差,降低跟随时间的累积误差,减少高动态环境下的计算量,提高算法结算的速度和精度。

基于修正型罗德里格斯参数的三维刚体摆姿态控制

3D刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型,它绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有3个转动自由度.文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues)参数描述的3D刚体摆的姿态动力学方程,针对3D刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设计问题,基于无源性控制理论利用能量法设计了3D刚体摆的系统控制器,并证明了系统满足无源性.构造了系统的李雅普诺夫(Lyapunov)函数,利用能量法设计出3D刚体摆的姿态控制律,并由拉萨尔(La Salle)不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性.仿真实验给出了3D刚体摆在倒立平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性,仿真实验结果表明基于能量方法的3D刚体摆姿态控制是有效的.

单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角的映射关系

在大角度姿态运动场景中,运动状态通常采用单位四元数或罗德里格转换模型,但转换参数并不具有直观性和几何意义,因此研究单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角的映射关系十分必要。然而,单位四元数、罗德里格参数与欧拉角相互之间并不存在一一对应的关系。结合三种转换模型的特点及欧拉角、罗德里格参数存在奇异问题,本文对可能出现的情况进行推导分析,建立各模型间转换参数的映射关系,实现单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角大角度范围的转换。

基于双姿态的高阶罗德里格斯参数姿态估计

针对高阶罗德里格斯参数构建姿态更新方程时存在模型奇异值以及基于四元数的姿态估计算法计算量大等问题,提出一种基于双姿态的高阶罗德里格斯参数姿态估计算法.当高阶罗德里格斯参数存在奇异时,切换到四元数姿态表示模型,避免高阶罗德里格斯参数的奇异值,之后再通过判断准则切换到高阶罗德里格参数姿态表示模型,以降低计算量.通过江试试验比较了提出算法和传统四元数无味估计器的估计精度和计算量,在计算精度基本相当的情况下,本文算法计算时间减小了26.27%.

四元数、Rodrigues参数在卫星姿态解算上的对比研究

详细阐述了罗德里格(Rodrigues)参数及改进型罗德里格(Modified Rodrigues)参数与四元数间的关系;推导了Rodrigues参数及改进型罗德里格参数微分方程和姿态阵,提出了后者避免奇异性的方法。通过仿真对以Rodrigues参数及改进型罗德里格参数描述的卫星姿态算法和以四元数描述的姿态算法在计算量和计算精度上进行了详细比较。仿真结果表明,Rodrigues参数和改进型罗德里格参数计算精度相当且计算量上优于四元数。

基于姿态参数切换的四元数快速传递对准算法

针对快速传递对准过程中的大失准角情况,在建立非线性四元数误差模型的基础上,对利用姿态参数转换的四元数无迹卡尔曼滤波(QUKF)进行研究。通过四元数和修正罗德里格斯参数间的相互转换关系对四元数加权求和公式进行推导,使计算更为直观。针对扰动sigma点中四元数部分的规范性问题,通过先计算sigma点得到其向量部分,再利用单位化约束得到标量部分的方法进行解决,并在此基础上对含有姿态四元数的误差方差阵进行推导并给出相应公式。仿真结果表明,该算法对大失准角的估计准确度和快速性可以满足传递对准的要求。

一种面向机动的低成本姿态测量系统

载体作机动运动时,基于加速度计和磁传感器的姿态测量系统易受载体运动加速度的影响而导致测量精度降低.通过将GPS加速度引入重力观测方程,有效补偿了载体运动加速度造成的姿态测量误差.利用基于重力场和地磁场矢量观测的迭代最小二乘姿态确定算法得到修正罗德里格姿态参数.姿态信息通过互补滤波器与陀螺仪测量值融合以提高动态响应.实验结果表明,该低成本姿态测量系统可明显提高机动环境下的姿态测量精度,姿态角测量误差小于3°.

基于低成本MEMS传感器的皮卫星融合定姿算法研究

基于低成本低精度的MEMS陀螺、太阳敏感器、磁强计组合,设计了Unscented Kalman融合滤波算法。同时考虑到可能的故障模式,提出了仅依赖磁强计的备份滤波算法。在姿态参数选取上,采用修正罗德里德参数来描述卫星姿态,降低了滤波器的维数,避免了采用四元数时解算状态误差协方差参数的奇异。利用MEMS陀螺采集的随机噪声数据进行半物理仿真,仿真结果表明:该融合算法能有效对卫星姿态进行实时估计,在个别敏感器失效的情况下,同样能实现较高的精度,满足普通任务的要求。该算法具有工程实现意义,是对低精度MEMS敏感器在低成本皮卫星上应用的有益探索。

基于反步法的主从航天器相对姿态控制

对主从航天器的相对姿态控制问题,考虑从航天器系统不确定因素,提出了一种基于反步法的姿态控制方法,并引入自适应控制律.该方法首先根据主从航天器的相对位置信息,解算出从航天器观测轴指向主航天器以及从航天器跟踪主航天器轨道坐标系等两种任务的期望姿态;然后基于修正罗德里格参数(MRP)描述的从航天器姿态误差动力学模型设计了姿态控制器以及针对航天器惯量的不确定性设计了自适应控制律;并基于Lyapunov方法从理论上证明了该方法能够实现全局渐近稳定的相对姿态控制.最后将该方法应用于某编队飞行任务,仿真结果表明此控制器能够实现其编队飞行控制,具有良好的控制性能.

卫星姿态调节的滑模PID控制器设计

针对刚体卫星的姿态调节问题,提出了一种滑模PID控制器设计方法.根据李亚普诺夫方法,推导出了采用PID形式的切换面的滑模PID控制器.在卫星转动惯量参数存在不确定性和存在外干扰时,该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.最后对卫星姿态控制系统进行了仿真研究.结果表明,所设计的控制方案在实现姿态调节控制的同时,对于卫星转动惯量的摄动及外部扰动力矩是鲁棒的.