● 摘要
本论文是结合新世纪优秀人才支持计划“基于新型敏感器和执行机构的深空探测器GNC系统集成技术研究”项目开展研究。采用集成轻型光学敏感器(主要以CMOS APS星敏感器为主)与微惯性器件(以MEMS陀螺为代表)组成的惯性-星光定姿系统己成为现代先进微小卫星的主要定姿手段。但是由于这类集成轻型光学敏感器与微惯性器件精度很低，因此需要研究适于其特点的姿态确定算法。本论文就是针对采用低精度新型敏感器件的惯性-星光姿态确定系统进行新的滤波方法研究。这对于实现在空间执行探测任务的微小型卫星的精确姿态确定以及姿态控制具有重要的价值。本论文首先介绍了国内外基于新型敏感器的集成姿态确定系统以及姿态确定方法的技术现状和发展趋势。系统地介绍了相关坐标系、姿态参数和姿态运动学方程，并以此为基础，介绍了卫星姿态确定方法和敏感器测量值的仿真过程。在此基础上，研究基于新型敏感器的集成惯性/星光姿态确定系统的设计方案。基于由MEMS陀螺和CMOS APS星敏感器组成的惯性/星光姿态确定系统，研究了两种基于Unscented粒子滤波的姿态确定方法：基于UPF滤波的姿态矩阵估计方法是以姿态矩阵为姿态参数，以最小参数(即3维的角速率积分参数)为状态变量，针对系统模型的非线性，将UPF与最小参数姿态矩阵估计方法结合，设计了基于UPF的姿态矩阵估计器。在敏感器精度较差并且系统噪声非高斯分布的情况下，这种基于UPF的姿态估计方法可以取得比EKF和UKF更快的滤波收敛性和更好的滤波精度。基于误差四元数的UPF滤波姿态估计方法是以地心惯性误差四元数为姿态参数，根据UPF和QUEST几种定姿算法的不同特点，将姿态确定的UPF方法与确定性算法QUEST结合，设计了一种适用于低精度微小卫星定姿系统的基于UPF的误差四元数估计器。该姿态估计器不但可以估计姿态角误差，同时也可以得到陀螺漂移误差；即能满足卫星姿态确定精度的要求，又具有较好稳定性，而且粒子数目可以取得比较少，为提高微小型卫星定姿系统的精度提供了一种新的思路。