小卫星技术之——磁强计自主导航
bg2bhc2013/02/02航天技术 IP:黑龙江
“对具有丰富地磁场资源可以利用的低轨小卫星而言,只利用三轴磁强计作为测量硬件的定姿与定轨方法具有很大的开发价值。磁强计是一种低成本、高可靠的敏感元件,如果星上有足够的计算能力,提高地磁场模型的描述精度,则定姿精度可达到1度,甚至更高,定轨精度也可以达到十到几十公里左右。磁强计定轨的原理为:地磁场强度是航天器位置的函数。航天器轨道与地磁场空间分布的等强度线是不会重合的,即航天器不可能在地磁场的等强度线上运动。同时,由于地磁轴偏角,地球的自转和地磁场球谐函数的高阶项的影响,对地球低轨卫星而言,轨道是完全能观的。这样,根据三轴磁强计的测量值(在本文中,确切的说是利用磁场强度的大小),它们是磁场强度在星体坐标系的分量(如果不考虑磁强计的安装误差),通过扩展卡尔曼滤波器就可以进行定轨,也就是估计出卫星的轨道六根数,或者是卫星的位置和速度,两者是完全等价的,因为无论是通过六根数还是通过位置和速度都能唯一确定轨道,它们之间的关系是一一对应的。卡尔曼滤波是一种成熟、标准的算法,广泛用于状态估计。

用磁强计自主导航所需的硬件只有三轴磁强计和星载计算机。当观测量选择为磁场强度的大小时,整个过程是与航天器姿态无关的。用磁强计自主导航是廉价的和完全自主的,但它要求对系统模型和观测模型有比较准确的了解,即相对硬件来说,更依赖与软件,精度也比较低,滤波收敛时间也比较长。

Psiaki等人提出了用地球磁场测量得到航天器位置信息的思想,这只需要利用各种航天器设计中常用的磁强计和星载计算机。Matthias Wiegand等人研究了对磁强计测量进行卡尔曼滤波的轨道确定算法,并且利用对BRAMSAT小卫星的实测数据对算法进行了验证。他们都指出了这种方案的可行性,并根据数学仿真讨论了轨道确定的精度。”

——摘自《磁强计自主导航方案研究及仿真》,程杨,哈尔滨工业大学硕士学位论文,航天学院、航天工程与力学系,空间飞行器总体设计专业,1997-6-24
来自:航空航天 / 航天技术
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~~空空如也
bg2bhc 作者
11年3个月前 IP:未同步
494215
论文比较老了,后面的仿真估计还是用C++编的。新的资料应该也有不少,只是无意中翻到了这一本。
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bg2bhc作者
11年3个月前 IP:未同步
494216
磁强计导航精度的比较差,但是磁强计的功耗很低,这对于平均可用功率只有1点几瓦的CubeSat来说还是很有吸引力的。实际应用方面,主要还是用它定姿。

典型的磁强计功耗:
HMC5883L(手机一类的移动设备用,数字输出,貌似也有CubeSat用过了)    100 uA
HMC2003(高精度,模拟输出,浙大PX-1A用过) 20 mA
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拔刀斋
11年3个月前 IP:未同步
494217
大赞,好方法
国外有人用类似原理做钢筋水泥建筑物内部的室内磁场导航(可能还做成了手机app,待搜索),已经投入商用。
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拔刀斋
11年3个月前 IP:未同步
494218
回 2楼(bg2bhc) 的帖子
敢情“手机星”是这个技术背景?
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warmonkey
11年3个月前 IP:未同步
494227
万户3的陀螺如果损坏或者读数溢出,会自动切换到地磁姿态模式。
具体原理是,将地磁数据和当前位置输入IGRF2010模型,求出航向和俯仰角。
轨道测量用最小二乘可能会有比较好的效果,此法消耗内存较卡尔曼滤波多,好处是不太容易受当前的测量值影响,甚至可以根据数据的艾伦方差分配加权最小二乘的权值。
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bg2bhc作者
11年3个月前 IP:未同步
494231
回 4楼(拔刀斋) 的帖子
确实,智能手机的硬件配置用来定轨定姿基本够用了,但是弄个手机上去。。还是玩的成分多一点
除了NASA那个,浙大也组织了一个本科生的CellSat项目,征集上来的题目还是挺有意思的

attachment icon CellSat.rar 4.86KB RAR 27次下载
您说的室内定位那个,不知道他们怎么搞的磁场模型
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bg2bhc作者
11年3个月前 IP:未同步
494232
回 5楼(warmonkey) 的帖子
用卡尔曼滤波这个很已经成熟了
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qwe
11年3个月前 IP:未同步
494245
回 2楼(bg2bhc) 的帖子
cubesat好像没有推力设备
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bg2bhc作者
11年3个月前 IP:未同步
494253
回 8楼(qwe) 的帖子
有携带电推实验的了,至于姿控主要是用磁力矩器和动量轮
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bg2bhc作者
11年3个月前 IP:未同步
494828
cubeshop卖的这个磁强计要11000欧,但是参数确实NB,标称灵敏度10nT。如果没换算错的话,HMC5883L分辨率只有500nT。HONEYWELL参数类似的产品都要好大一坨。
QQ截图20130204110807.jpg
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