多干扰及高动态环境下惯性恒星罗盘快速鲁棒定姿方法研究

惯性恒星罗盘作为一种基于CMOS星敏感器和硅微惯性陀螺组件的新型多传感器集成定姿系统，是新一代微小卫星高性能定姿的重要发展方向。它要求小体积、高集成度、低功耗，但由于其受加工及制造水平所限，通常存在一系列固有误差源，在多源干扰及高动态环境激励下极易引起星图拖尾、模糊、畸变和误匹配点多以及惯性器件测量误差，系统非线性、噪声非高斯和模型不确定等问题，从而导致定姿精度和速度严重下降。本项目针对上述问题，首先系统分析多源干扰及高动态环境下惯性恒星罗盘系统特性，揭示星图拖尾和畸变的机理，研究快速高精度星图畸变校正方法和快速高识别成功率的星图匹配识别方法；其次，深入分析各干扰源特性，引入复合分层抗干扰思想，研究硅微惯性器件误差在线校准方法和基于鲁棒多目标滤波的星光矢量/惯性角速率组合定姿方法；最后，针对特定航天任务，研究基于半物理仿真技术的有效性验证方法，为高性能惯性恒星罗盘系统技术研究提供理论基础。

惯性恒星罗盘作为一种基于CMOS星敏感器和硅微惯性陀螺组件的新型多传感器集成定姿系统，是空间环境分布式卫星编队组网监测系统的核心装置之一，已成为新一代微小卫星高性能定姿的重要发展方向。本项目针对多源干扰及高动态环境激励下惯性恒星罗盘极易引起星图拖尾、模糊、畸变和误匹配点多以及惯性器件测量误差、系统非线性、噪声非高斯和模型不确定等问题，首先系统地分析了多源干扰及高动态环境下惯性恒星罗盘的系统特性，揭示了星图拖尾和畸变的机理，研究了快速高精度星图畸变校正方法和快速高识别成功率的星图匹配识别方法，提出了一种星图拖尾模糊及复原方法和一种基于改进遗传算法的星图畸变校正方法，提高了拖尾模糊星图的复原效率以及畸变星图的校正性能；针对传统HD星图识别算法全区匹配实时性差的不足，提出了一种基于改进HD距离的新型星图识别方法，提高了星图匹配识别的实时性能，并增强了匹配算法的抗旋转特性；其次，深入分析了各干扰源特性，引入了复合分层抗干扰思想，研究了惯性器件误差在线校准方法和基于先进滤波的星光矢量/惯性角速率组合定姿方法；针对单一传感器标定、去噪及误差补偿等问题，提出了一种基于姿态矩阵判据的光学焦距在线快速标定方法，研究了硅MEMS陀螺仪误差建模及补偿方法，解决了星敏感器光学焦距的在线标定问题以及惯性器件的误差标定及补偿的问题；针对多传感器组合滤波问题，提出了一种基于分段信息融合的多传感器组合定姿方法，克服了组合滤波时的系统非线性、噪声非高斯问题，大大提高了多传感器的信息融合性能；最后，针对日地空间环境分布式微纳卫星组合监测这一特定的航天任务，研究了基于半物理仿真技术的惯性恒星罗盘理论与方法的有效性验证；为了更高效、更高性能的模拟星图，提出了一种基于三正交主轴平面的快速星图模拟方法，提高了模拟星图的精度和实时性；针对多传感器组合系统测试与验证问题，提出了一种基于惯性/星光组合的多传感器集成定姿系统的测试与验证方法，解决了实验室环境下的地面半物理仿真验证系统性能问题。本项目按照项目计划书要求，圆满完成了项目研究内容和预期目标，研究成果为高性能惯性恒星罗盘系统技术的研究提供了重要的理论和实践基础，为基于微纳卫星编队组网的分布式空间环境原位探测提供了技术支持。