本發(fā)明涉及一種高精度星敏感器安裝矩陣在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

星敏感器作為目前精度最高的姿態(tài)敏感器在航天任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)星敏感器星光來自單一視場，受視場限制，星間角距較小，導(dǎo)致解算出的光軸方向姿態(tài)角精度比另外兩軸姿態(tài)角精度低一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致三軸姿態(tài)精度不一致。當(dāng)雜散光進(jìn)視場，或者受空間輻射影響時(shí)可能無法穩(wěn)定可靠的輸出姿態(tài)。

為了進(jìn)一步提高星敏感器的性能，近年來國外出現(xiàn)了多視場星敏感器的概念。如法國sodern公司的hydra星敏感器，美國ball公司的fsc-701星敏感器，日本三菱電機(jī)的sis星敏感器以及德國jena-optroni公司的astro-aps星敏感器。與單視場星敏感器相比，對(duì)多個(gè)視場的觀測(cè)信息融合處理，擴(kuò)大了視場角，提高了光軸方向的精度，使多探頭星敏感器三軸精度一致，可靠性更高。

在多視場觀測(cè)信息融合過程中，涉及到各探頭之間的空間關(guān)系轉(zhuǎn)換，探頭之間的安裝矩陣準(zhǔn)確與否對(duì)最終的融合姿態(tài)精度起到?jīng)Q定性作用。在航天器發(fā)射之前，通過安裝裝調(diào)已經(jīng)確定了星敏感器各探頭之間的空間關(guān)系。受航天器發(fā)射過程中的振動(dòng)，以及在軌熱環(huán)境等因素的影響，各探頭的安裝關(guān)系并非常值。因此，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)探頭之間的安裝關(guān)系成為保證多探頭星敏感器精度的關(guān)鍵。

星矢量融合需要對(duì)不同探頭測(cè)量坐標(biāo)系下的定姿星做空間配準(zhǔn)，安裝矩陣的準(zhǔn)確性直接影響了融合姿態(tài)的精度。由各探頭輸出的四元數(shù)直接解算出的實(shí)測(cè)安裝關(guān)系包含了不同頻率的誤差成分，因此不能簡單的做濾波去噪，如果不作處理直接采用該值，測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致融合結(jié)果無法達(dá)到要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種高精度星敏感器安裝矩陣在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，可以在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)補(bǔ)償衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)變形對(duì)探頭之間安裝矩陣的影響，具有很強(qiáng)的跟蹤能力和自適應(yīng)性，用于多探頭星敏感器視場融合中的空間配準(zhǔn)，提高融合姿態(tài)的精度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種高精度星敏感器安裝矩陣在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，包含以下步驟：

步驟s1、解算實(shí)測(cè)安裝關(guān)系四元數(shù)；

步驟s2、對(duì)安裝關(guān)系四元數(shù)的矢量部分進(jìn)行濾波校準(zhǔn)；

步驟s3、采用校準(zhǔn)后的安裝關(guān)系四元數(shù)解算安裝矩陣。

在步驟s1中，選定探頭a為基準(zhǔn)頭部，由實(shí)時(shí)輸出的探頭a，探頭b的四元數(shù)qa，qb解算探頭a和探頭b之間的實(shí)測(cè)安裝關(guān)系四元數(shù)qba：

實(shí)測(cè)安裝關(guān)系四元數(shù)qba表示為：

由于四元數(shù)的自由度為3，只對(duì)其矢部q濾波平滑；

取線性離散系統(tǒng)狀態(tài)為則系統(tǒng)方程為：

式中，k為離散時(shí)間；系統(tǒng)在時(shí)刻k的狀態(tài)矢量xk∈r³；yk∈r³為對(duì)應(yīng)狀態(tài)的觀測(cè)矢量；wk～n(0,qk)為高斯分布的過程激勵(lì)噪聲；vk～n(0,rk)為高斯觀測(cè)噪聲；d為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；g為觀測(cè)矩陣；由于建立的是線性模型，這里d和g取為三階單位陣。

所述的步驟s2中，對(duì)安裝關(guān)系四元數(shù)的矢量部分進(jìn)行濾波校準(zhǔn)的方法包含以下步驟：

步驟s2.1、輸入線性離散系統(tǒng)狀態(tài)量的初始值x0和協(xié)方差的初始值p0；

地面安裝裝調(diào)時(shí)得到安裝關(guān)系四元數(shù)初值，x0取其矢部，p0任取一量級(jí)小于單位陣的非零對(duì)角陣；

步驟s2.2、進(jìn)行狀態(tài)一步預(yù)測(cè)：

xk|k-1＝dxk-1(4)

步驟s2.3、計(jì)算量測(cè)殘差：

vk＝y(tǒng)k-gxk|k-1(5)

步驟s2.4、判斷系統(tǒng)是否發(fā)散，若收斂判據(jù)成立，說明濾波正常，進(jìn)行步驟s2.5，若收斂判據(jù)不成立，說明濾波發(fā)散，進(jìn)行步驟s2.6；

所述的收斂判據(jù)為：

式中，γ為儲(chǔ)備系數(shù)(γ≥1)，γ＝1是最嚴(yán)格的收斂判據(jù)；

步驟s2.5、令衰減因子λk＝1，同時(shí)由量測(cè)殘差在線估計(jì)測(cè)量噪聲協(xié)方差r，進(jìn)行步驟s2.7

式中，dk＝(1-b)/(1-b^k+1)，b為遺忘因子，一般取0.95～0.99；

步驟s2.6、更新衰減因子，進(jìn)行步驟s2.7；

步驟s2.7、一步預(yù)測(cè)協(xié)方差陣：

式中，q為過程激勵(lì)噪聲協(xié)方差；

步驟s2.8、計(jì)算增益：

kk＝pk|k-1g^t(r+gpk|k-1g^t)^-1(9)

步驟s2.9、更新狀態(tài)方程：

xk＝xk|k-1+kkvk(10)

步驟s2.10、更新協(xié)方差陣：

pk＝(i3×3-kkg)pk|k-1(11)。

所述的步驟s2.6中，更新衰減因子的方法具體包含以下步驟：

步驟s2.6.1、根據(jù)量測(cè)殘差實(shí)時(shí)調(diào)整衰減因子：

步驟s2.6.2、判斷衰減因子是否滿足lk≤ω，其中，ω是星敏運(yùn)行角速度，若是，進(jìn)行步驟s2.6.4，若否，進(jìn)行步驟s2.6.3；

步驟s2.6.3、令lk＝lk/10，進(jìn)行步驟s2.6.2；

步驟s2.6.4、令λk＝1+lk，若λk＞λmax，取λk＝λmax，λmax為設(shè)定的衰減因子最大值。

所述的步驟s3中，采用校準(zhǔn)后的安裝關(guān)系四元數(shù)解算安裝矩陣的方法包含以下步驟：

步驟s3.1、獲得濾波校準(zhǔn)后的安裝關(guān)系四元數(shù)的矢量部分：

步驟s3.2、解算安裝關(guān)系四元數(shù)的標(biāo)量部分：

若q0＜0，則否則

步驟s3.3、根據(jù)安裝關(guān)系四元數(shù)解算安裝矩陣：

轉(zhuǎn)換矩陣cba由下式解得：

本發(fā)明在無準(zhǔn)確先驗(yàn)信息的條件下，通過量測(cè)殘差序列給出濾波收斂判據(jù)，若收斂，衰減因子取1，并在線估計(jì)參數(shù)r，以避免收斂判據(jù)失效，若發(fā)散，實(shí)時(shí)解算衰減因子，調(diào)整當(dāng)前拍在濾波過程中的權(quán)重，可有效解決因模型不準(zhǔn)確導(dǎo)致的濾波性能下降甚至發(fā)散問題，本發(fā)明對(duì)安裝矩陣進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)補(bǔ)償，不需存儲(chǔ)大量的量測(cè)信息，本發(fā)明直接對(duì)安裝關(guān)系四元數(shù)的矢部進(jìn)行濾波，而不是三軸歐拉角，避免了反三角解算引入的誤差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的一種高精度星敏感器安裝矩陣在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法的流程圖。

圖2是集中式星矢量融合示意圖。

圖3是對(duì)安裝關(guān)系四元數(shù)的矢量部分進(jìn)行濾波校準(zhǔn)的方法的流程圖。

圖4是參數(shù)q取不同值時(shí)的濾波結(jié)果。

圖5是更新衰減因子的流程圖。

圖6是采用校準(zhǔn)后的安裝關(guān)系四元數(shù)解算安裝矩陣的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下根據(jù)圖1～圖6，具體說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。

考慮到星敏感器在軌運(yùn)行期間，受空間熱環(huán)境影響，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，本發(fā)明基于四元數(shù)自適應(yīng)卡爾曼濾波原理(以下簡稱q-akf)，根據(jù)量測(cè)殘差實(shí)時(shí)調(diào)整當(dāng)前拍在濾波中的權(quán)重，避免因模型不準(zhǔn)導(dǎo)致濾波性能下降甚至發(fā)散的問題。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種高精度星敏感器安裝矩陣在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，包含以下步驟：

步驟s1、解算實(shí)測(cè)安裝關(guān)系四元數(shù)；

步驟s2、對(duì)安裝關(guān)系四元數(shù)的矢量部分進(jìn)行濾波校準(zhǔn)；

步驟s3、采用校準(zhǔn)后的安裝關(guān)系四元數(shù)解算安裝矩陣。

如圖2所示，是集中式星矢量融合示意圖，在步驟s1中，選定探頭a為基準(zhǔn)頭部，由實(shí)時(shí)輸出的探頭a，探頭b的四元數(shù)qa，qb解算探頭a和探頭b之間的實(shí)測(cè)安裝關(guān)系四元數(shù)qba：

由于結(jié)構(gòu)變形量較小，在短時(shí)間內(nèi)(10～20min以內(nèi))也可認(rèn)為不變，因此可建立線性離散卡爾曼kalman濾波模型對(duì)安裝矩陣進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)；

實(shí)測(cè)安裝關(guān)系四元數(shù)qba可表示為：

由于四元數(shù)的自由度為3，所以可只對(duì)其矢部濾波平滑；

取線性離散系統(tǒng)狀態(tài)為則系統(tǒng)方程為：

式中，k為離散時(shí)間；系統(tǒng)在時(shí)刻k的狀態(tài)矢量xk∈r³；yk∈r³為對(duì)應(yīng)狀態(tài)的觀測(cè)矢量；wk～n(0,qk)為高斯分布的過程激勵(lì)噪聲；vk～n(0,rk)為高斯觀測(cè)噪聲；d為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；g為觀測(cè)矩陣；由于建立的是線性模型，這里d和g取為三階單位陣。

如圖3所示，所述的步驟s2中，對(duì)安裝關(guān)系四元數(shù)的矢量部分進(jìn)行濾波校準(zhǔn)的方法包含以下步驟：

步驟s2.1、輸入線性離散系統(tǒng)狀態(tài)量的初始值x0和協(xié)方差的初始值p0；

地面安裝裝調(diào)時(shí)得到安裝關(guān)系四元數(shù)初值，x0取其矢部，p0任取一量級(jí)小于單位陣的非零對(duì)角陣；

步驟s2.2、進(jìn)行狀態(tài)一步預(yù)測(cè)：

xk|k-1＝dxk-1(4)

步驟s2.3、計(jì)算量測(cè)殘差：

vk＝y(tǒng)k-gxk|k-1(5)

步驟s2.4、判斷系統(tǒng)是否發(fā)散，若收斂判據(jù)成立，說明濾波正常，進(jìn)行步驟s2.5，若收斂判據(jù)不成立，說明濾波發(fā)散，進(jìn)行步驟s2.6；

所述的收斂判據(jù)為：

式中，γ為儲(chǔ)備系數(shù)(γ≥1)，γ＝1是最嚴(yán)格的收斂判據(jù)；

步驟s2.5、令衰減因子λk＝1，同時(shí)，為了避免因參數(shù)r的取值不合理導(dǎo)致收斂判據(jù)失效，由量測(cè)殘差在線估計(jì)測(cè)量噪聲協(xié)方差r，進(jìn)行步驟s2.7

式中，dk＝(1-b)/(1-b^k+1)，b為遺忘因子，一般取0.95～0.99；

步驟s2.6、更新衰減因子，進(jìn)行步驟s2.7；

步驟s2.7、一步預(yù)測(cè)協(xié)方差陣：

pk|k-1＝d(λk*pk-1)d^t+q(8)

式中，q為過程激勵(lì)噪聲協(xié)方差，該參數(shù)被用來表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣與實(shí)際過程之間的誤差，因?yàn)闊o法直接觀測(cè)到過程信號(hào)，所以q的取值是很難確定的，無在軌數(shù)據(jù)支撐條件下，參數(shù)q無法準(zhǔn)確估計(jì)，如圖4所示，在q取值接近于真實(shí)值和小于真實(shí)值的條件下，安裝矩陣三軸歐拉角總能收斂于參考值，q越接近于真實(shí)值收斂速度越快，當(dāng)q過大時(shí)，融合姿態(tài)精度降低，所以q取值不宜過大；

步驟s2.8、計(jì)算增益：

kk＝pk|k-1g^t(r+gpk|k-1g^t)^-1(9)

式中，r為測(cè)量噪聲協(xié)方差，濾波器實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，測(cè)量噪聲協(xié)方差一般可以觀測(cè)得到；

若星敏感器高頻誤差為expect_error角秒，測(cè)量噪聲協(xié)方差r可由下式求出：

步驟s2.9、更新狀態(tài)方程：

xk＝xk|k-1+kkvk(10)

步驟s2.10、更新協(xié)方差陣：

pk＝(i3×3-kkg)pk|k-1(11)。

如圖5所示，所述的步驟s2.6中，更新衰減因子的方法具體包含以下步驟：

步驟s2.6.1、根據(jù)量測(cè)殘差實(shí)時(shí)調(diào)整衰減因子：

步驟s2.6.2、判斷衰減因子是否滿足lk≤ω，其中，ω是星敏運(yùn)行角速度(ω的單位為度/秒)，若是，進(jìn)行步驟s2.6.4，若否，進(jìn)行步驟s2.6.3；

由于結(jié)構(gòu)變形量與溫度變化量成正比，星敏運(yùn)行角速率ω與溫度變化率成正比；

步驟s2.6.3、令lk＝lk/10，進(jìn)行步驟s2.6.2；

步驟s2.6.4、令λk＝1+lk，若λk＞λmax，取λk＝λmax，λmax為設(shè)定的衰減因子最大值。

如圖6所示，所述的步驟s3中，采用校準(zhǔn)后的安裝關(guān)系四元數(shù)解算安裝矩陣的方法包含以下步驟：

步驟s3.1、獲得濾波校準(zhǔn)后的安裝關(guān)系四元數(shù)的矢量部分：

步驟s3.2、解算安裝關(guān)系四元數(shù)的標(biāo)量部分：

若q0＜0，則否則

步驟s3.3、根據(jù)安裝關(guān)系四元數(shù)解算安裝矩陣：

轉(zhuǎn)換矩陣cba可由下式解得：

本發(fā)明在無準(zhǔn)確先驗(yàn)信息的條件下，通過量測(cè)殘差序列給出濾波收斂判據(jù)，若收斂，衰減因子取1，并在線估計(jì)參數(shù)r，以避免收斂判據(jù)失效，若發(fā)散，實(shí)時(shí)解算衰減因子，調(diào)整當(dāng)前拍在濾波過程中的權(quán)重，可有效解決因模型不準(zhǔn)確導(dǎo)致的濾波性能下降甚至發(fā)散問題，本發(fā)明對(duì)安裝矩陣進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)補(bǔ)償，不需存儲(chǔ)大量的量測(cè)信息，本發(fā)明直接對(duì)安裝關(guān)系四元數(shù)的矢部進(jìn)行濾波，而不是三軸歐拉角，避免了反三角解算引入的誤差。

本發(fā)明可以在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)補(bǔ)償衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)變形對(duì)探頭之間安裝矩陣的影響，具有很強(qiáng)的跟蹤能力和自適應(yīng)性，用于多探頭星敏感器視場融合中的空間配準(zhǔn)，提高融合姿態(tài)的精度。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。