一種基于多次星敏感器測(cè)量信息融合的姿態(tài)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種基于多次星敏感器測(cè)量信息融合的姿 態(tài)確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天器技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)航天器的姿態(tài)確定精度、姿態(tài)控制精度等提出了 更高的要求，其中高精度姿態(tài)控制也以高精度姿態(tài)確定為基礎(chǔ)。高精度姿態(tài)確定依賴于高 精度的姿態(tài)敏感器，如現(xiàn)有高精度姿態(tài)確定系統(tǒng)均采用高精度的星敏感器來(lái)獲得航天器的 姿態(tài)。星敏感器通過(guò)對(duì)恒星輻射的敏感來(lái)測(cè)量已知恒星視線與基準(zhǔn)軸之間的夾角，是一種 高精度的慣性絕對(duì)姿態(tài)敏感器，一般星敏感器的光軸測(cè)量精度在10 " (3 O )量級(jí)，高精度 的星敏感器的光軸測(cè)量精度能達(dá)到3~5 " (3 〇 )。
[0003] 雖然通過(guò)不斷提升星敏感器的測(cè)量精度能夠提升航天器的姿態(tài)確定精度，然而當(dāng) 星敏感器測(cè)量精度到一定程度后，再進(jìn)行提升將非常困難或者代價(jià)昂貴，而航天器應(yīng)用對(duì) 系統(tǒng)姿態(tài)的確定精度的要求卻逐步提高。因此，除了研制更高性能的敏感器外，還需要從姿 態(tài)確定系統(tǒng)出發(fā)，研究新的姿態(tài)確定算法，實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)確定。
[0004] 目前航天器姿態(tài)系統(tǒng)一般直接利用星敏感器的姿態(tài)輸出，或者采用星敏感器、陀 螺進(jìn)行姿態(tài)確定，姿態(tài)確定精度受星敏感器的測(cè)量精度的影響較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于多次星敏感器測(cè) 量信息融合的高精度姿態(tài)確定方法，解決了利用多次星敏感器測(cè)量信息融合實(shí)現(xiàn)高精度姿 態(tài)確定的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于多次星敏感器測(cè)量信息融合的姿態(tài)確定方 法，步驟如下：
[0007] (1)航天器采用星敏感器來(lái)確定其在軌飛行時(shí)的姿態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)確 定，航天器安裝有N個(gè)星敏感器，N多2,在進(jìn)行姿態(tài)確定時(shí)選取其中兩個(gè)星敏感器，分別用 星敏感器A和星敏感器B來(lái)表示，其中星敏感器A在一個(gè)姿態(tài)確定周期△ T內(nèi)獲得的姿態(tài) 測(cè)量結(jié)果用Qbiai表示，每一個(gè)姿態(tài)獲取的時(shí)間用表示，其中
T，i = 1~Na;星敏感器B對(duì)應(yīng)的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果用
表示，每一 個(gè)姿態(tài)獲取的時(shí)間用表示，j = 1~Nb;
[0008] (2)對(duì)航天器姿態(tài)進(jìn)行姿態(tài)預(yù)估，得到當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)估計(jì)值qs，k= [q s，kU)qs，M2) ? T Qs，k⑶Qs，k⑷」，
[0009] (3)對(duì)星敏感器A的每次姿態(tài)測(cè)量結(jié)果，分別計(jì)算得到星敏感器測(cè)量坐標(biāo)系下光 軸矢量Z mAi: CN 105136150 A VL 2/丫貝
[0010]
[0011] 并計(jì)算出姿態(tài)獲取時(shí)間與當(dāng)前星時(shí)t的時(shí)間差，BP :
[0012]
[0013] 用N1^1表示時(shí)間差中與姿態(tài)確定周期Δ T相除的整數(shù)部分，St _表示時(shí)間差中不 足一個(gè)姿態(tài)確定周期A T的部分，則Nbiai, δ tniAl可采用如下的關(guān)系式得到：
[0014]
[0015] 函數(shù)fix( ·)表示取整；
[0016] 對(duì)星敏感器B的每次姿態(tài)測(cè)量結(jié)果，分別計(jì)算得到星敏感器測(cè)量坐標(biāo)系下光軸矢 量冗―：
[0017]
[0018] 并計(jì)算出姿態(tài)獲取時(shí)間與當(dāng)前星時(shí)t的時(shí)間差，BP :
[0019]
[0020] 用NniB^示時(shí)間差中與姿態(tài)確定周期Δ T相除的整數(shù)部分，δ tniB]表示時(shí)間差中不 足一個(gè)姿態(tài)確定周期A T的部分，則N"B]，δ tniB]可采用如下的關(guān)系式得到：
[0021]
[0022] (4)根據(jù)步驟⑵得到當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)估計(jì)值(^分別對(duì)星敏感器A的光軸矢量 Ziwu進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式
[0023]
[0024] 其中，若Niwu為零，則
，否貝I
其 中，
[0025] cok為當(dāng)前姿態(tài)確定周期航天器慣性姿態(tài)角速度在航天器本體系的表示，可通過(guò) 陀螺測(cè)量得到，彷?為當(dāng)前姿態(tài)確定周期航天器慣性姿態(tài)角速度在慣性系的表示。下標(biāo)k表 示當(dāng)前姿態(tài)確定周期，同理，k-Ι表示前一姿態(tài)確定周期，Ic-NniAi表示前NmAi姿態(tài)確定周期；
[0026] 其中
[0027] CN 105136150 A 說(shuō)明書 3/7 頁(yè)
[0028] A(qs,k)T 表示矩陣 A(qs,k)的轉(zhuǎn)置。
[0029] 根據(jù)步驟（2)得到當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)估計(jì)值(10分別對(duì)星敏感器B的光軸矢量Z _ 進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式
[0030]
[0031] 其中，若NniBj為零，則
腫4-?表隸瀟u絲離卿諭雅摜葡髓祀摜縣?穌；
[0032] (5)對(duì)補(bǔ)償后的光軸矢量進(jìn)行融合
[0033]
[0034]
[0035] wAl表示星敏感器A每次測(cè)量結(jié)果的權(quán)重，w Bl表示星敏感器B每次測(cè)量結(jié)果的權(quán) 重；
[0036] (6)確定航天器當(dāng)前星時(shí)t時(shí)刻的姿態(tài)，航天器本體系相對(duì)于慣性系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換 矩陣A bl的計(jì)算公式如下：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] ZSAB、ZSBB分別表不星敏感器A、B的光軸在航天器本體系的表不，p b、qb、rb為根據(jù)星 敏感器光軸安裝確定的一組本體坐標(biāo)系下的三正交矢量，構(gòu)成航天器本體坐標(biāo)系下的方向 余弦陣A b;p p qi、Γι為根據(jù)信息融合后的星敏感器光軸測(cè)量結(jié)果確定的一組慣性系下的三 正交矢量，構(gòu)成航天器慣性系下的方向余弦陣A 1;
[0043] 所述步驟（5)中用星敏感器A每次測(cè)量結(jié)果的權(quán)重為
，星敏感器B每 次測(cè)量結(jié)果權(quán)重為
[0044] 步驟（2)對(duì)姿態(tài)進(jìn)行基于陀螺測(cè)量結(jié)果的預(yù)估，得到當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)估計(jì)值公式 如下：
[0045]
[0046] q,k i表示前一個(gè)周期所確定出的航天器姿態(tài)，q Sik表示當(dāng)前姿態(tài)確定周期的航天 器姿態(tài)估計(jì)值。
[0047] M = cos(<i)/2) ·Ι4Χ4+8；?η(Φ/2)/Φ · Q(Ag), 14X4表示 4 階 單位矩陣，Φ = I I Δ g I I 表示 Δ g 的模，Δ g = [ Δ gl, Δ g2, Δ g3]T =
[0048] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0049] (1)本發(fā)明通過(guò)分別對(duì)星敏感器每次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了基于時(shí)間的補(bǔ)償，且在進(jìn) 行時(shí)間補(bǔ)償時(shí)，對(duì)測(cè)量時(shí)間與姿態(tài)確定時(shí)間相差較大的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行了分段補(bǔ)償，避免了 航天器姿態(tài)角速度的變化引起的時(shí)間補(bǔ)償誤差，比直接利用角速度進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)精度更高。
[0050] (2)本發(fā)明通過(guò)對(duì)時(shí)間補(bǔ)償后的多次星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度進(jìn)行了融合，且在融 合過(guò)程中考慮了每次測(cè)量結(jié)果的權(quán)重比例，使得星敏感器測(cè)量結(jié)果的權(quán)重系數(shù)隨測(cè)量時(shí)延 呈冪級(jí)數(shù)遞減的趨勢(shì)；測(cè)量時(shí)延小于一個(gè)姿態(tài)確定周期的數(shù)據(jù)可信度高，權(quán)重系數(shù)大；測(cè) 量時(shí)延大于一個(gè)姿態(tài)確定周期的數(shù)據(jù)可信度低，權(quán)重系數(shù)小，提高了測(cè)量信息融合精度和 可信度。
【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0052] 圖2為未進(jìn)行星敏感器測(cè)量信息融合時(shí)的定姿精度曲線；
[0053] 圖3為采用本發(fā)明進(jìn)行星敏感器測(cè)量信息融合時(shí)的定姿精度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0055] 如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
[0056] (1)航天器采用星敏感器來(lái)確定其在軌飛行時(shí)的姿態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)確 定，航天器安裝有N (N多2)個(gè)星敏感器，在進(jìn)行姿態(tài)確定時(shí)選取其中兩個(gè)星敏感器，分別用 星敏感器A和星敏感器B來(lái)表示其中星敏感器A在一個(gè)姿態(tài)確定周期△ T內(nèi)獲得的姿態(tài)測(cè) 量結(jié)果用q"^表示，每一個(gè)姿態(tài)獲取的時(shí)間用表示，其中
， i = 1~Na;星敏感器B對(duì)應(yīng)的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果用
表示，每一個(gè) 姿態(tài)獲取的時(shí)間用表示，j = 1~N B。
[0057] (2)對(duì)航天器姿態(tài)進(jìn)行基于陀螺測(cè)量結(jié)果的預(yù)估，得到當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)估計(jì)值Ckk =[qs,k(i)qs,k⑵qs,k⑶q s,k⑷]。公式如下：
[0058] qs,k= M · qSjk !
[0059] qs,k i表示前一個(gè)周期所確定出的航天器姿態(tài)，
[0060] M = cos(<i)/2) ·Ι4Χ4+8；?η(Φ/2)/Φ · Q(Ag), 14X4表示 4 階 單位矩陣，Φ = I I Δ g I I 表示 Δ g 的模，Δ g = [ Δ gl, Δ g2, Δ g3]T =
[0061] 其中qSik主要用于對(duì)星敏感器A、B的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)計(jì)算慣性角速度使用。
[0062] (3)對(duì)星敏感器A的每次姿態(tài)測(cè)量結(jié)果，分別計(jì)算得到星敏感器測(cè)量坐標(biāo)系下光 軸矢量Z mAi:
[0063]
[0064] 并計(jì)算出姿態(tài)獲取時(shí)間與當(dāng)前星時(shí)t的時(shí)間差，BP :