复杂卫星姿态确定精度反演与评估问题研究

The background of this project is the high-resolution-image of the earth observation satellite. The research focuses on the theories and approaches for the precision inversion and evaluation of complicated satellite's attitude determination. The traditional and previous research work for complicated satellite's attitude determination is restricted in enhancing the precision of sensors' attitude measurement, designing the improved or novel algorithm for attitude determination to adapt different working environments. Based on our previous research work for the "forward problem" of complicated satellite's attitude determination, including system error analysis, model construction and optimal estimation design, this project begins to research the "inverse problem" of complicated satellite's attitude determination. Specific contents are included as follows: the main error factors called the principal component factors for attitude determination are deduced with the experiment optimum design and the threshold analysis method at first. And then the precision influence model for each principal component factor is constructed based on attitude filter algorithm, besides, the model parameters are identified. Moreover, the synthetized precison response function is presented with experiment design and multiple nonlinear regression analysis. The boundary condition for each principal component factor is solved according to the attitude determination precision index requirement. Finally, the evaluation for the precision inversion of attitude determination is completed based on theory analysis and semi-physical simulation. This project can provide powerful feedback and technical support for optimizing the attitude measurement and attitude determination scheme for complicated satellite.

本项目以高分辨率成像对地观测卫星为背景，研究复杂卫星姿态确定精度反演与评估的理论和方法。以往复杂卫星姿态确定的研究工作主要集中在提高姿态敏感器的测量精度、设计改进的或新型的姿态确定算法以适应不同的工作环境。本项目在前期对复杂卫星姿态确定系统误差分析、模型构建及最优估计方法设计等"正问题"研究的基础上，开展姿态确定的"反问题"研究。具体内容包括：基于试验优化设计和阈值分析方法，明确影响复杂卫星姿态确定精度的主成分因素；基于姿态确定滤波算法，建立各主成分因素的精度影响模型，完成模型参数辨识；通过试验优化设计，结合多元非线性回归分析，建立姿态确定精度与主成分因素之间的综合精度响应函数，并在给定姿态确定精度指标下，求解各主成分因素的边界条件；通过理论分析与半物理仿真试验，完成姿态确定精度反演理论与方法的评估。为复杂卫星高精度姿态测量设计与姿态确定方案优化提供反馈及技术支撑。

本项目研究复杂卫星姿态确定精度反演与评估问题。在综合分析复杂卫星姿态确定精度影响因素的基础上，通过试验优化设计，分析主成分因素对姿态确定精度的影响规律，建立综合精度响应函数。本项目的主要内容包括：基于试验优化设计的定姿精度影响因素分析与主成分因素确定；各主成分因素精度影响规律分析与影响模型构建；综合精度响应函数构建及主成分因素边界条件确定；复杂卫星姿态确定精度反演与评估理论与方法试验验证。获得的主要研究成果如下：（1）针对复杂卫星姿态确定系统，系统分析了基于EKF姿态确定方法的精度影响因素，研究了包括敏感器测量精度、敏感器相对安装误差及初始估计精度等11种因素对姿态确定精度的影响，根据试验设计安排试验，计算不同因素试验水平的变化导致的姿态确定精度的变化情况，利用选定的阈值，经过多次筛选，确定了影响姿态确定精度的关键因素，也即主成分因素。（2）研究了主成分因素对EKF姿态确定精度的影响规律，建立了每种主成分因素到姿态确定精度的关系表，通过主成分因素分析的试验设计方案，按照主成分表设计试验，结合试验数据估计影响模型的参数，确定了各主成分因素对姿态确定精度的影响函数。（3）在单个主成分因素对姿态确定精度的影响函数构建的基础上，将各个主成分因素联合起来，通过量纲分析及各因素间的交互影响关系分析，建立了全面的主成分因素与姿态确定精度间的综合精度响应函数模型，并利用建立的综合精度响应函数模型，进行了主成分因素的边界条件分析。（4）开展了复杂卫星姿态确定精度反演与评估的半物理仿真试验，验证理论分析以及最终建立的精度响应函数的准确性和合理性。通过三年的研究，项目组培养博士生2名，硕士生2名；参加学术交流8人次，发表学术论文18篇，其中SCI检索6篇，提交调研报告1份，出版专著2部，授权国家发明专利2项，国防专利2项，申请国家发明专利2项。

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