1、飛行器姿態(tài)確定是飛行器姿態(tài)控制的關鍵技術之一，姿態(tài)確定的精度直接影響到飛行器姿態(tài)控制的精度。姿態(tài)確定的精度不儀取決于姿態(tài)測量系統(tǒng)硬件配置的性能與精度，還與所采用的姿態(tài)確定算法密切相關。姿態(tài)描述參數是姿態(tài)確定系統(tǒng)建模的前提和基礎。常用的姿態(tài)描述參數主要有歐拉角，修正羅德里格斯參數，方向余弦，四元數等。四元數因其計算量小、具有全局非奇異性而得到廣泛應用，然而四元數必須遵循規(guī)范化要求，如何克服規(guī)范化限制，使其能與先進的非線性濾波算法相結合成為

2、目前姿態(tài)確定算法中亟待解決的問題。本文在回顧總結常用非線性濾波算法的基礎上，研究基于四元數非線性濾波的飛行器姿態(tài)確定算法。論文主要研究內容如下：
　　 首先針對幾種常用的姿態(tài)描述參數分別建立相應的姿態(tài)運動學方程，給出這幾種參數之間的轉換關系；針對陀螺和星敏感器這兩種姿態(tài)量測傳感器，建立相應的傳感器量洲模型，在此基礎上建立飛行器姿態(tài)確定系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。從貝葉斯最優(yōu)估計出發(fā)，深入研究基于高斯分布假設和非高斯分布假設的兩類非線性濾波

3、算法。主要包括擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)算法，無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filter，UKF)算法，粒子濾波(Particle Filter，PF)算法及其改進算法。
　　 深入分析四元數非線性濾波所遇到的問題和困難。其中，針對四元數加權均值計算問題，在研究分析奇異值法和特征向量法的基礎上，提出一種拉格朗日代價函數法求解均值四元數。該方法從均值四元數意義出發(fā)，利

4、用MMSE準則構造四元數代價函數，利用拉格朗日乘函，保證代價函數中四元數的規(guī)范性，最終將四元數均值計算問題轉化為代價函數最小時的向量求解問題。在分析和解決四元數非線性濾波問題基礎上，提出無需姿態(tài)參數切換的四元數UKF(Quaternion UKF，Q-UKF)算法。其中，在選取姿態(tài)變量時，只取四元數的向量部分，而標量部分通過單位四元數約束條件給出。這樣不僅解決了擾動四元數Sigma的選取問題，而且也降低了濾波狀態(tài)的維數，減小了濾波的運算

5、量。針對Q-UKF算法存在的數值穩(wěn)定性問題，結合平方根UKF算法，提出一種四元數平方根UKF算法?；谕勇?CCD的仿真實驗證明了這些算法的有效性。
　　 針對噪聲非線性傳遞時UKF算法濾波精度下降問題，研究了擴維UKF(AugmentedUKF，AUKF)算法。AUKF算法雖然提高了濾波精度和穩(wěn)定性，但同時也帶來了狀態(tài)維數倍增，計算負擔過重的問題。針對此，提出一種量測和過程不相關的狀態(tài)切換UKF(State Switching

6、 UKF，SSUKF)算法。該算法通過在時間更新和量測更新階段，選取不同的狀態(tài)變量，降低了實時濾波狀態(tài)維數及Sigma點的選取個數，減小了計算量，提高了運算速度。在SSUKF算法的基礎上，進一步提出了用于飛行器姿態(tài)確定的四元數狀態(tài)切換UKF(Q-SSUKF)算法?；谕勇?CCD的仿真實驗結果表明，與四元數全維UKF(Q-AUKF)算法相比，四元數狀態(tài)切換UKF算法一定程度上節(jié)約了濾波時間，提高了系統(tǒng)的實時性。
　　 針對非線性

7、非高斯情況下的姿態(tài)確定問題，在姿態(tài)參數切換粒子濾波算法基礎上，提出一種無需姿態(tài)參數切換的四元數粒子濾波(Quaternion Particle Filter，Q-PF)算法。其中，針對正則化過程中擾動四元數規(guī)范化問題，從四元數協方差陣的跡出發(fā)，給出了擾動四元數點求解方法。在四元數粒子濾波算法的基礎上，本文給出兩種改進四元數粒子濾波算法。其中，考慮飛行器姿態(tài)確定系統(tǒng)為典型的線性/非線性混合系統(tǒng)，結合邊沿粒子濾波思想，提出了四元數邊沿粒子濾

8、波算法(Quaternion Rao-blackwellized Particle Filter，Q-RPF)。該算法將系統(tǒng)分為線性和非線性兩部分分別采用不同的濾波算法，一定程度上節(jié)省了濾波時間。針對重要性概率密度函數為先驗概率密度函數時忽略當前觀測信息而導致濾波精度下降的問題，在無跡粒子濾波算法的基礎上，提出四元數無跡粒子濾波(Quaternion Unscented Particle Filter，Q-UPF)算法。針對陀螺/CCD