“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
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