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基于乘性四元数和约束滤波的飞行器姿态估计算法
  • ISSN号:1001-506X
  • 期刊名称:系统工程与电子技术
  • 时间:2013.5.15
  • 页码:1031-1036
  • 分类:V448.22[航空宇航科学与技术—飞行器设计;航空宇航科学技术]
  • 作者机构:[1]哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心,黑龙江哈尔滨150080, [2]中国人民解放军61345部队,陕西西安710010
  • 相关基金:国家自然科学基金(60904092,60117420);国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB720000)资助课题
  • 相关项目:行星着陆自主导航方法研究
中文摘要:

以单位四元数作为姿态描述参数提出一种乘性约束姿态估计算法。四元数具有全局非奇异、运动学方程双线性的优点,但归一化约束条件必须精确保持。首先,比较了加性和乘性滤波算法在估计误差定义和校正方式上的差别,并从物理概念和估计精度上详细分析了无约束四元数估计算法的不足。然后,针对“矢量测量+陀螺”姿态观测模式,利用乘性约束滤波算法设计了姿态估计器。针对状态部分受约束的姿态估计问题,推导了状态和方差预测方程及状态受约束的最优增益矩阵,并将约束增益矩阵应用到姿态估计算法的测量更新过程。最后,通过数学仿真验证了算法在估计精度和收敛性能上的优越性。

英文摘要:

A multiplicative constrained attitude estimation algorithm is proposed by using unit quaternion to describe the attitude. A major advantage of using the quaternion is that the kinematics equation is linear in the quaternion and is also free of singularities, but the normalization constraint condition must be preserved accu- rately. First, the differences in the definition of estimation errors and state correction modes between the addi- tive and multiplicative filter algorithms are compared, and the disadvantages in the physical conception and esti- mation accuracy of the unconstrained quaternion estimation algorithm are also analyzed in detail. Then, an atti- tude estimator for the attitude measurement model composed of vector observation and gyros is designed by using the rnultiplicative constrained filter algorithm. According to the state part constrained attitude estimation problem, the state and covariance propagation equations and the optimal gain matrix subject to state normality constraint are derived. Subsequently the constrained gain matrix is applied to the measurement update phase of the attitude estimation algorithm. Finally, the numerical simulation result demonstrates the superiority in esti- mation accuracy and convergence property of the proposed algorithm.

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期刊信息
  • 《系统工程与电子技术》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国航天科工集团公司
  • 主办单位:中国航天科工防御技术研究院 中国宇航学会 中国系统工程学会
  • 主编:施荣
  • 地址:北京142信箱32分箱
  • 邮编:100854
  • 邮箱:xtgcydzjs@126.com
  • 电话:010-68388406
  • 国际标准刊号:ISSN:1001-506X
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2422/TN
  • 邮发代号:82-269
  • 获奖情况:
  • 全国中文核心期刊,全国优秀科技期刊,中国科技论文统计用刊,中国期刊方阵“双百”期刊
  • 国内外数据库收录:
  • 德国数学文摘,荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国剑桥科学文摘,英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:34341