基于粒子滤波的三轴稳定卫星姿态确定算法的研究.pdf

工学硕士学位论文

基于粒子滤波的三轴稳定卫星姿态确定算
法的研究

岳洋












哈尔滨工业大学
2008 年 7 月
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工学硕士学位论文

基于粒子滤波的三轴稳定卫星姿态确定算
法的研究








硕士研究生: 岳洋
导师:王庆超教授
申请学位:工学硕士
学科、专业: 一般力学与力学基础
所在单位:航天学院
答辩日期:2008 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
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A Dissertation for the Degree of M. Eng.


RESEARCH ON THREE-AXIS
STABILIZED SATELLITE ATTITUDE
DETERMINATION BASED ON PARTICLE
FILTER



Candidate: Yue Yang
Supervisor: Prof. Wang Qingchao
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: General Mechanics and
Foundation of Mechanics
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: July, 2008
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
卫星姿态信息是影响整个姿态控制系统性能的重要因素。其精度不但取
决于姿态测量系统硬件配置的性能与精度,还与所采用的姿态确定算法密切
相关。星敏感器是一种矢量姿态敏感器,也是航天工程中精度最高的姿态敏
感器。本文以星敏感器和陀螺作为基本配置组成的三轴稳定卫星姿态测量系
统为对象,对卫星姿态确定的非线性滤波技术作了深入细致的研究。主要完
成了以下几方面的工作:
首先较全面、系统地总结了各种姿态描述法、包括它们的定义、计算法
则、运动学方程、换算关系及优缺点。基于四元数和修正罗德里格参数建立
了完整的卫星姿态运动模型。
其次,采用四元数作为卫星姿态的描述,在测量模型为焦平面模型的情
况下,推导出基于扩展卡尔曼滤波的星敏感器和陀螺组合的姿态确定算法。
数值仿真表明扩展卡尔曼滤波算法在较小的初始误差下具有较好的性能,当
初始误差较大时则不能保证收敛。
为了解决较大初始误差和非高斯分布的情况,重点研究了粒子滤波在卫
星姿态和姿态角速度确定中的应用。分别针对有陀螺和无陀螺的情况,提出
了用于姿态和姿态角速度确定的粒子滤波 SIR 算法。这种算法基于蒙特卡
罗仿真,即用随机的粒子来近似表示状态矢量的概率分布。初始的姿态分布
为均匀分布,采用罗德里格参数作为卫星的姿态描述。为了说明重采样方法
对粒子滤波精度的影响,对 3 种不同的重采样策略进行比较。针对粒子滤
波算法中出现的样贫问题,采用粒子粗化的方法来增加粒子的多样性。仿真
中分别采用焦平面和星光矢量两种测量模型。仿真结果表明,粒子滤波 SIR
算法在使用粒子数为 2000 的情况下,虽然在小偏差下没有表现出更优越的
性能,但是在大的初始误差和非高斯分布的情况下均有良好的收敛性能。而
且,对于两种不同的姿态测量模型粒子滤波也同样具有很好的性能。同时,
也可以发现,采用不同的重采样策略对最终的结果影响很小。
关键词姿态确定; 星敏感器; 扩展卡曼滤波; 粒子滤波
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Satellite attitude is a critical piece of information in any space mission, and
its accuracy is the key factor for the performance of the attitude control system
(ACS). In general, the estimation accuracy not only lies on the performance of
the hard-ware o