基于天文信息的卫星自主导航系统具有自主、精确、廉价等优点,目前各国都积极参与此项研究,其中美国、法国已有了实际的工程应用,而我国在这方面与国外相比还存在较大的差距。本文以地球同步轨道卫星为研究对象,研究了无陀螺下卫星姿态控制系统和自主导航系统。 本文研究的主要内容有: 1.基于CCD星敏感器的无陀螺测量卫星姿态确定系统的研究 (1) 针对地球同步轨道卫星,分别建立了以姿态四元数和修正罗德里格参数为卫星姿态描述参数的姿态运动方程;建立了卫星受一阶马尔柯夫干扰力矩时的卫星姿态动力学方程; (2) 设计了采用姿态四元数为卫星姿态描述参数的EKF和UKF估计器,设计了分别以姿态四元数和修正罗德里格参数为卫星姿态描述参数的UKF估计器,并进行了数学仿真。研究了姿态描述参数、非线性估计算法、星敏感器的测量精度和测量数据更新周期等因素对姿态确定精度的影响。 2.基于CCD星敏感器的星光折射卫星自主导航系统的研究 (1) 针对地球同步轨道卫星,在地心赤道惯性坐标系下,考虑了地球形状、目月引力、大气阻力和太阳光压等摄动因素,建立了较为精确的卫星轨道动力学方程; (2) 研究了基于星光折射的卫星自主导航技术,利用安装在卫星上的星敏感器,精确敏感地平,并根据观测方程,分别利用UKF和EKF来确定卫星在轨的位置和速度。进行了数学仿真,并讨论了星光折射的观测模型、恒星选择的限制条件以及影响定轨精度的各种因素。