基于寬頻測(cè)量的衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星寬頻高精度姿態(tài)確定技術(shù)，具體地，涉及一種基于寬頻測(cè)量的衛(wèi) 星高精度姿態(tài)確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為保證在軌衛(wèi)星的精確控制性能，需要利用多種敏感器完成衛(wèi)星本體相對(duì)姿態(tài)基 準(zhǔn)的高精度測(cè)量，以保證姿態(tài)確定的性能，最終將姿態(tài)確定的結(jié)果輸出，為控制量的生成提 供基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，星載計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量敏感器的輸出采樣、多源信息融合 算法等操作。
[0003] 目前國(guó)內(nèi)在軌運(yùn)行的高精度三軸穩(wěn)定衛(wèi)星中，一般均采用陀螺和星敏感器組成的 高精度姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律建立狀態(tài)方程，將陀螺和星敏感器的輸出通 過(guò)一定的信息融合算法，獲取衛(wèi)星的姿態(tài)信息。受慣性敏感器響應(yīng)帶寬的局限，當(dāng)高頻姿態(tài) 擾動(dòng)不可忽略時(shí)，需要利用具有高帶寬響應(yīng)特性的姿態(tài)測(cè)量敏感器提供姿態(tài)信息。
[0004] 此外，國(guó)內(nèi)一種具有高通特性的姿態(tài)敏感器件角位移傳感器的成功研制，彌補(bǔ)了 慣性測(cè)量單元帶寬不足的缺陷，使得高帶寬姿態(tài)信息測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)，但其缺點(diǎn)是對(duì)低頻信 號(hào)復(fù)現(xiàn)能力差。
[0005] 隨著三軸穩(wěn)定衛(wèi)星控制精度要求的不斷提高，需要在設(shè)計(jì)階段確定衛(wèi)星穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 的姿態(tài)測(cè)量方法，研究一種基于多敏感器信息融合理論的寬頻姿態(tài)確定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于寬頻測(cè)量的衛(wèi)星高精度姿 態(tài)確定方法，通過(guò)增加一種能敏感高頻姿態(tài)信息的敏感器，能夠在傳統(tǒng)慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)500Hz以下的姿態(tài)信息測(cè)量，通過(guò)信息融合方法，提高三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)確 定的精度。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于寬頻測(cè)量的衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定方法，包括如下步驟：
[0009] 衛(wèi)星在穩(wěn)態(tài)模式下，完成對(duì)陀螺、星敏感器、角位移傳感器的輸出采樣，并對(duì)采樣 得到的陀螺數(shù)據(jù)扣除常值漂移；
[0010] 對(duì)陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，消除陀螺輸出的測(cè)量噪聲，陀螺數(shù)據(jù)處理完成后，利用 衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，結(jié)合上一拍慣性測(cè)量組件估計(jì)的姿態(tài)，遞推當(dāng)前陀螺預(yù)估姿態(tài)信 息；
[0011] 計(jì)算當(dāng)前拍慣性測(cè)量組件的姿態(tài)估計(jì)值；
[0012] 得到慣性測(cè)量組件的姿態(tài)估計(jì)值后，解算出姿態(tài)校正信號(hào)；
[0013] 得到姿態(tài)校正信號(hào)后，結(jié)合角位移傳感器的測(cè)量值，解算出姿態(tài)矩陣，進(jìn)而解算出 姿態(tài)角。
[0014] 以姿態(tài)偏差四元數(shù)和陀螺的常值漂移增量作為狀態(tài)量，求星敏感器輸出與陀螺遞 推出的姿態(tài)偏差，以此偏差為測(cè)量值；根據(jù)姿態(tài)偏差的傳遞規(guī)律，預(yù)測(cè)狀態(tài)量的預(yù)測(cè)值；此 后，根據(jù)陀螺、星敏感器的測(cè)量模型，計(jì)算當(dāng)前拍慣性測(cè)量組件的姿態(tài)估計(jì)值。
[0015] 將慣性測(cè)量組件的姿態(tài)估計(jì)值與姿態(tài)確定系統(tǒng)的姿態(tài)輸出值求偏差，將此偏差信 號(hào)依次通過(guò)低通濾波器、控制器，產(chǎn)生姿態(tài)校正信號(hào)；
[0016] 以姿態(tài)校正信號(hào)和角位移傳感器的測(cè)量值為輸入，解算出姿態(tài)矩陣，進(jìn)而解算出 姿態(tài)角。
[0017] 本發(fā)明采用的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：
[0018] 通過(guò)一種基于寬頻測(cè)量的衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定方法，突破了慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的 局限，使得衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的帶寬得到提高；通過(guò)多敏感器信息融合方法，提高了姿態(tài)確定系 統(tǒng)的精度。
[0019] 本發(fā)明方法尤其適用于超穩(wěn)對(duì)地遙感及超靜慣性空間穩(wěn)定指向任務(wù)中，在傳統(tǒng)慣 性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一種高精度的角位移傳感器，完成對(duì)高頻姿態(tài)信息的測(cè)量， 以實(shí)現(xiàn)航天器的高精度高穩(wěn)定度控制。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0021] 圖1為本發(fā)明的數(shù)據(jù)流向及計(jì)算流程圖；
[0022] 圖2為陀螺數(shù)據(jù)處理及陀螺預(yù)估姿態(tài)計(jì)算流程；
[0023] 圖3為慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)姿態(tài)計(jì)算流程；
[0024] 圖4為低頻校正信號(hào)計(jì)算流程；
[0025] 圖5為寬頻姿態(tài)信息估計(jì)流程。
[0026] 附圖變量定義：
[0027] qt;:陀螺估計(jì)姿態(tài)四元數(shù)；
[0028] qs:星敏感器輸出姿態(tài)四元數(shù)；
[0029] b:陀螺常值漂移；
[0030] q :慣性測(cè)量組件估計(jì)姿態(tài)四元數(shù)；
[0031] Θ 慣性測(cè)量組件估計(jì)歐拉角；
[0032] Θ Cn:姿態(tài)校正信號(hào)；
[0033] Θ :寬頻姿態(tài)估計(jì)歐拉角。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0035] 如圖1所示，為本發(fā)明采用的具體步驟，當(dāng)衛(wèi)星處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，在每個(gè)運(yùn)算周期內(nèi)， 首先對(duì)陀螺、星敏感器和角位移傳感器的輸出采樣，然后對(duì)陀螺的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除陀 螺輸出的高頻噪聲，將處理后的陀螺測(cè)量角速度積分得到陀螺預(yù)估的姿態(tài)四元數(shù)信息；之 后計(jì)算星敏感器輸出與陀螺預(yù)估姿態(tài)的偏差四元數(shù)，結(jié)合一步預(yù)測(cè)的偏差四元數(shù)及基于陀 螺和星敏感器測(cè)量模型計(jì)算的增益值，計(jì)算得到低頻姿態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值；再然后將當(dāng)前得 到的低頻最優(yōu)估計(jì)信號(hào)與上一步寬頻姿態(tài)最優(yōu)估計(jì)值之間的差值依次進(jìn)行處理，得到具有 低頻特性的寬頻姿態(tài)校正信號(hào)，結(jié)合角位移傳感器輸出的高頻姿態(tài)信息，解算出姿態(tài)矩陣； 最后根據(jù)姿態(tài)矩陣，解算出寬頻姿態(tài)角。
[0036] 如圖2所示，采集的陀螺數(shù)據(jù)序列X1 (η)，扣除陀螺漂移b后，得到的序列為X1 (η)， 經(jīng)過(guò)濾波后輸出的序列為Yn，濾波遞推方程為：
[0037] \: (/?) =二(X ('?) -Υ.-I.).) + Kw-.l). T
[0038] 式中T取0· 2，τ取〇· l，n = 1, 2,…，i = X, y, z。此后由Yi (η)，計(jì)算陀螺預(yù)估姿 態(tài)(n) (j = 〇, 1，2, 3)，計(jì)算方程如下：
[0040] 如圖3所示，星敏感器的輸出序列記Sqs，k(n)，（k= 1，2,3)，定義姿態(tài)偏差四元數(shù) 為 Aqek (n) (k = 0, 1，2, 3)，偏差四元數(shù)的觀測(cè)值 Z1(Ii), (1 = 1，2, 3):
[0041 ] Z1(U)二 qs'k{n)? q-Ii(Ji)
[0042] 用下式遞推Δ qe，k (η)的矢量部分及陀螺的常值漂移增量：
[0048] 陀螺常值漂移修正方程： CN 105180946 A 說(shuō)明書(shū) 4/5 頁(yè)
[0050] 將姿態(tài)四元數(shù)按312順序轉(zhuǎn)換成姿態(tài)角，有：
[0054] 如圖4所示，慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的估計(jì)值與上一拍寬頻姿態(tài)信息的估計(jì)值求偏 差，記為八0]?，其中111 = }(、丫、2，11=1，2,3，~，則校正信號(hào)用下式估計(jì)：
[0055] 0Cm(n) = 0.5662Δ Θ m (n-l)+0. 09154 Δ Θ m(n-2)-〇. 1261 Δ θ m (η-3)-〇. 02205 Δ θ " (η-4) +3. 39 θ Cm (η-1) -4· 336 θ Cm (η-2) +2. 479 θ Cm (η-3)
[0056] 式中i的意義同前，遞推時(shí)η = 5, 6, 7,…，遞推前時(shí)刻需賦值的量均固定賦0. 1， 遞推一定時(shí)間會(huì)收斂。
[0057] 如圖5所示，當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)矩陣記為Ca，角位移傳感器的輸出記為Θ Hm(η)，其中 m的意義和同前。Ca的形式為：
[0059] 則姿態(tài)矩陣的計(jì)算方程如下所示：
[0060] Caii (n) = Caii (n-l) +
[0061] CA21 (n_l) X ( θ ΗΖ (η) - θ HZ (n_l) + Θ cz (η) - Θ cz (n_l)) +CA31 (n_l) X ( θ ΗΥ (η) - θ ΗΥ (η- 1) + θ a (η) - θ CY (η_1))
[0062] CA12 (η) = Cai2 (η-1) +
[0063] Ca22 (η_1) X ( θ ΗΖ (η) - θ ΗΖ (η_1) + θ cz (η) - θ cz (η_1)) +Ca32 (η_1) X ( θ ΗΥ (η)