基于乘性四元数和约束滤波的飞行器姿态估计算法

作     者：李建国 崔祜涛 田阳 LI Jian-guo;CUI Hu-tao;TIAN Yang

作者机构：哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心 中国人民解放军61345部队 

出 版 物：《系统工程与电子技术》 (Systems Engineering and Electronics)

年 卷 期：2013年第35卷第5期

页      面：1031-1036页

核心收录：

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家自然科学基金(60904092 60117420) 国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB720000)资助课题 

主　　题：姿态估计 单位四元数约束滤波 归一化约束 乘性扩展卡尔曼滤波 

摘      要：以单位四元数作为姿态描述参数提出一种乘性约束姿态估计算法。四元数具有全局非奇异、运动学方程双线性的优点,但归一化约束条件必须精确保持。首先,比较了加性和乘性滤波算法在估计误差定义和校正方式上的差别,并从物理概念和估计精度上详细分析了无约束四元数估计算法的不足。然后,针对矢量测量+陀螺姿态观测模式,利用乘性约束滤波算法设计了姿态估计器。针对状态部分受约束的姿态估计问题,推导了状态和方差预测方程及状态受约束的最优增益矩阵,并将约束增益矩阵应用到姿态估计算法的测量更新过程。最后,通过数学仿真验证了算法在估计精度和收敛性能上的优越性。