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《基于四元數(shù)的UKF多傳感器衛(wèi)星姿態(tài)確定.pdf》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、上海航天第29卷2012年第2期AERoSPACESHANGHAI文章編號(hào)：1006—1630(2012)020013—05基于四元數(shù)的UKF多傳感器衛(wèi)星姿態(tài)確定陳志明，王惠南，劉海穎(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210016)摘要：對(duì)采用磁強(qiáng)計(jì)和太陽(yáng)敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)模型，應(yīng)用無(wú)跡卡爾曼濾波(uKF)算法確定衛(wèi)星姿態(tài)。由四元數(shù)描述姿態(tài)，在算法中將其轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)矢量，另設(shè)計(jì)了四元數(shù)求均值的迭代算法，解決了四元數(shù)在UKF算法中的處理。仿真結(jié)果表明：廣義卡爾曼濾波(EKF)算法對(duì)初值依賴性較大，UKF算法不受初值影響且精度高于EKF，具快
2、速性、精度高和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量；四元數(shù)；無(wú)跡卡爾曼濾波；矢量觀測(cè)中圖分類號(hào)：V448．22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ASatelliteAttitudeEstimationwithMultisensorBasedonQuaternionUsingUKFCHENZhi—ming，WANGHui—nan，LIUHal—ying(CollegeofAutomationEngineering，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics，Naniing210016，Jiangsu，China)Abs
3、tract：AttitudebasedonquaternionwasestimatedbyunscentedKalmanfiltering(UKF)arithmeticforasatellitemodelwithmagnetometersandsunsensorsinthispaper．Thequaternionwastransferredintorotationvectorinordertomatchthearithmetic，andthealgorithmwasdesignedtocalculatethemeanquaterniont
4、osolvethetreatmentofthequaternioninUKF．ThesimulationresultsshowedthatUKFalgorithmwasunaffectedbyinitialdataandmoreeffectivewithhighprecisionandstabilization，whileEKFalgorithmwasreliedontheinitialconditionverymuch．Keywords：Satelliteattitudeestimation；Quaternion；UnscentedKa
5、lmanfiltering；Vectorobservation0引言計(jì)算量與EKF同階，且無(wú)需計(jì)算雅可比矩陣引。因多年來(lái)，卡爾曼濾波算法是姿態(tài)確定中的重要此，采用UKF效果較EKF更佳。與歐拉角相比，工具，是多傳感器信息融合技術(shù)的主要算法
6、】]。在用四元數(shù)描述衛(wèi)星姿態(tài)不具奇異性，其計(jì)算效率也較旋轉(zhuǎn)矩陣更高。為此，本文對(duì)基于四元數(shù)的非線性系統(tǒng)中廣泛采用的EKF是通過(guò)對(duì)非線性函UKF多傳感器衛(wèi)星姿態(tài)確定進(jìn)行了研究。數(shù)的Taylor展開(kāi)式進(jìn)行一階線性截?cái)啵瑥亩鴮⒎蔷€性問(wèn)題轉(zhuǎn)為線性，但當(dāng)Taylor展開(kāi)式高階項(xiàng)無(wú)法忽略時(shí)，線性化會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。
7、另外，EKF需計(jì)1UKF濾波算法算雅可比矩陣，計(jì)算量大。UKF算法則使用采樣方由剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)理論中的歐拉定理：剛體繞固法近似非線性分布處理非線性[2]。UKF以無(wú)跡變定點(diǎn)的任一位移，可由繞通過(guò)此點(diǎn)的某一軸轉(zhuǎn)過(guò)一換(UT)為基礎(chǔ)，采用卡爾曼線性濾波框架。計(jì)算精個(gè)角度而獲得，有度至少達(dá)到2階l3]。采用特殊的采樣策略，如高斯一∞／J∞J；分布4階采樣和偏度采樣等可獲得更高階精度，其l一l∞lAt．式中：為單位時(shí)間間隔；∞為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；e為此次轉(zhuǎn)動(dòng)所繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向；聲為繞該軸轉(zhuǎn)過(guò)的收稿日期：2009—07—06；修回日期：200908—12
8、角度。相應(yīng)四元數(shù)表達(dá)式為作者簡(jiǎn)介：陳志明(1982)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星姿態(tài)控制、衛(wèi)星編隊(duì)飛行、星務(wù)管理。q一[q0q1q2q3]一上海航天AEROSPACESHANGHAI第29卷2012年第2期[[]，㈩(是+1l愚)一∑w；((忌+1I忌)一(尼+l=0且滿足約束條件(qo)+(q)+(g)+(q3)一1。1l忌))((足+1l是)一(尼+11忌))，(9)四元數(shù)的本質(zhì)描述是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，不僅反映相對(duì)(忌+1I忌)一hEx7(+1l志)，“(忌)，參考坐標(biāo)系的姿態(tài)，而且可視作姿態(tài)機(jī)動(dòng)參數(shù)。(愚+1)]，(10)2L令姿態(tài)機(jī)動(dòng)
9、前姿態(tài)參數(shù)q一[q。q]，機(jī)動(dòng)后姿態(tài)(是+1l是)一∑WTZf(憊+1I忌)，(11)參數(shù)q一[q?？赸；姿態(tài)機(jī)動(dòng)參數(shù)△q—i=02LI-Aq。△q]，則有P(忌+1l愚)一∑W；(Zi(k+
