Фильтрация Калмана для оценки ориентации космического аппарата

В этом отчёте рассматриваются методы фильтрации Калмана для оценки ориентации и их развитие за последние два десятилетия. Обзор не претендует на полноту и ограничен алгоритмами, пригодными для космических аппаратов, оснащённых трёхосевыми гироскопами и датчиками ориентации. Именно к таким системам, по-видимому, фильтрация Калмана применима наиболее эффективно. Фильтр Калмана использует динамическую модель, описывающую изменение системы во времени, и модель измерений датчиков для получения наиболее точной оценки состояния системы с помощью линейного оценивателя, основанного на текущих и предыдущих измерениях. Поэтому он идеально подходит как для наземного, так и для бортового определения ориентации. Однако применимость метода фильтрации Калмана зависит от наличия точной динамической модели. Динамические уравнения ориентации космического аппарата создают значительные трудности при построении модели фильтра. В частности, внешние моменты и внутреннее перераспределение момента импульса, вызванные вращающимися или сканирующими приборами, приводят к существенной неопределённости моделирования. Для автономных космических аппаратов использование инерциальных измерительных блоков вместо модели позволяет обойти эти проблемы. В этом представлении угловая скорость космического аппарата определяется по данным гироскопов. Кинематические уравнения используются для определения состояния ориентации, которое дополняется компонентами вектора состояния, представляющими смещения гироскопов. Таким образом, данные гироскопов не рассматриваются как наблюдения, а гироскопический шум выступает как шум состояния, а не как шум наблюдений. Теоретически космический аппарат может быть стабилизирован по трём осям с такой высокой жёсткостью, что изменение системы во времени можно точно описывать без информации от гироскопов, либо стабилизирован по одной оси, так что для получения информации о временной истории системы требуется только один гироскоп. Представленные здесь алгоритмы могут быть модифицированы для применения в этих случаях, однако…