基于小视场星敏感器的姿态确定方法研究

The attitude determination is the vital step for navigation project. At present, the star sensor is wildly used and it is the most accurcy one as a attitue merasurement sensor. And now, almost all the star identificaiton algorithms are designed for the large FOV(Field of View) of star sensor. However, when used for small satellite or low cost project, the samll FOV star sensor is improtant.Then,the superiority of traditional star identifcation algorithm will be lost, and the attitude determiantion will be influenced. To solve this problem, a attitue determination scheme based on small FOV sensor is given. The scheme includes four contents, the star identification algorithm for samll FOV sensor, noise analysis and management,attitude calculation and the designing of filter algorithm. In star identification step, using the output infroamtion to extend the FOV of star sensor, then more star will be obtained and the requirment of star identification algorithm will be reached. Analyze the influences of the noise to the star identification algorithm and according to the analysis result to design the coping method. In attitude calculate step, building the attitude determination model based on the star sensor. Finally, to improve the attitude calculation accuracy,according to the model design the corresponding filter algorithm.

姿态确定是载体导航任务中至关重要的一环，目前星敏感器是应用最广泛且测姿精度最高的姿态测量敏感器。目前的星图识别算法大部分都是针对大视场星敏感器而设计的。然而，在小卫星或者小型低成本的空间应用中，小视场星敏感器是十分必要的，此时传统的星图识别算法就失去原有的优势，载体姿态的获取就会遇到困难。针对这种情况，本研究给出了一种小视场星敏感器的姿态确定方法，该方法包括小视场星敏感器的星图识别、噪声的分析及处理、姿态的计算和滤波算法的设计等四部分内容。在星图识别阶段结合捷联惯导的输出信息能够将原有的视场进行扩充，能够获取更加丰富的星点信息从而达到星图识别算法的要求。在噪声的分析及处理上详细分析捷联惯导的误差对星图识别阶段的影响及其应对方法。在姿态计算阶段建立星敏感器的姿态确定模型，最后设计对应的滤波算法估计系统噪声，提高姿态计算的精度。

精确的姿态信息是航天器完成航天任务的基础，而姿态确定是航天器导航任务中至关重要的一环，目前星敏感器是应用最广泛且测姿精度最高的姿态测量敏感器。针对传统星图识别算法不适用于小视场星敏感器，传统的滤波算法没有考虑四元数约束的问题，本项目研究着眼于小视场星敏感器在小卫星、低成本航天任务中的重要性，给出了一种小视场星敏感器的姿态确定方法，该方法包括小视场星敏感器的星图识别、噪声的分析及处理、姿态的计算和滤波算法的设计等四部分内容。在星图识别阶段结合捷联惯导的输出信息能够将原有的视场进行扩充，能够获取更加丰富的星点信息从而达到星图识别算法的要求；在噪声的分析及处理上详细分析捷联惯导的误差对星图识别阶段的影响，利用陀螺的简化测量模型、星敏感器的测量模型和星点在像平面移动的原理对总的噪声进行建模及星图噪声处理；在姿态计算阶段选取四元数作为姿态描述参数，建立基于四元数的陀螺与星敏感器姿态估计系统模型；最后设计了一种用于姿态估计的改进乘法四元数容积卡尔曼滤波（CKF）算法、鲁棒扩展卡尔曼滤波算法(REKF)及非线性高斯滤波算法估计系统噪声，提高姿态计算的精度。本项目研究打破了传统算法在小视场星敏感器应用时的限制，促进姿态确定方法的多样性和实际应用中的可行性，拓宽了小视场星敏感器的应用领域。