卡尔曼滤波实现磁测定姿的算法研究与其MATLAB仿真.pdf

维普资讯 第 9期 红‘ 外)月刊 卡尔曼滤波实现磁测定姿的算法研究 及其MATLAB仿真 周 健 朱振才 王建宇 (中国科学院上海技术物理研究所，上海，200083) 摘 要 对于低轨、低精度、低费用的小卫星 采用最少的硬件构成姿态确定系统有 着银好的应用前景。研究了仅依靠磁强计的测量数据．通过卡尔曼滤波得到三轴的姿 态角和角速率的算法。提出一整套验证该算法的方法．并用 MATLAB完成了数值仿 真。 关键词 磁强计 卡尔曼滤波 数值仿真 MATLAB 的 它对一系列的测量数据进行递归处理 能 估计出三轴的姿态角和姿态角速率。这样就解 由于近年来兴起的小卫星技术以降低成本 决了没有陀螺的情况下角速率的获取问题 。 为设计的一个重要指导思想．因此．对于三轴 此系统适用于有一定倾角的近地轨道，且卫星 指 向精度不高，又很关心重量、功耗及费用的 的定姿精度要求不高。它可作为卫星姿态控制 小卫星来说 仅仅使用磁强计完成三轴姿态、 系统中闭合 回路的敏感器定姿部分。 姿态角速率的确定无疑有着很好的应用前景， MATLAB仿真软件 自1984年由美国的Ma 开展这项工作有着重要的实用意义。 thWorks公司推出以来 经过十几年的不断发 在 以往的卫星姿态确定系统中．磁强计往 展，现已成为国际上公认的最优秀的数值仿真 往作为辅助手段与其它部件配合使用，而很少 软件 本文提出一整套验证磁测定姿算法的方 利用单一的磁强计来完成姿态确定。这主要是 法．并用MATLAB完成了数值仿真。仿真阶段 因为这种方法的定姿精度有限 它无法摆脱地 是检验算法和优化设计的交融过程。利用MAT— 磁模型不精确所引起误差的制约。而且常见的 LAB强大的数值计算能力和 良好的人机界面． 处理方法是由卫星星历表得到轨道参数，再通过 通过反复调整重要参数来改善滤波器的性能． 查地磁场表 IGRF(InternationalGeomagneticRef- 从而大大缩短了滤波器的设计时间。最后得到 erenceField)求出当地的地磁场．把它和磁强计 的数据处理结果能够令人满意。数值仿真工作 测量值进行比较．经过姿态算法计算得到姿态 的成功和完备，为随后将要进行的半物理仿真 角。然而，这样做只能得到两轴的姿态角，并且 提供了有力的基础和保障。MATLAB仿真无疑 不能提供角速率的信息。角速率的获取需借助 是整个工作中非常重要的一个环节。 于其它手段，比如陀螺仪 。 最后 为适应工程化、实用化的要求，对此 本文的定姿算法仅依赖于三轴磁强计的测 算法的计算量进行了分析 。这不仅关系到星上 量数据，算法中的一些重要公式在 以往的基础 计算机系统的硬件开销，同时也对今后编写星 上做了改进 。此算法是以卡尔曼滤波器为基础 上代码有一定的指导意义。 维普资讯 2 红‘ 外)月刊 2001妊 2研究模型的数学建模 2．3姿态矩阵模型一 轨道 ／本体转换矩阵