基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法，在無初始姿態(tài)的情況下，采用陀螺儀輸出t時(shí)刻本體坐標(biāo)系下的衛(wèi)星角速度，得到初始姿態(tài)四元數(shù)；使用[0 0 0 1]作為初始姿態(tài)四元數(shù)，得到衛(wèi)星t1時(shí)刻相對于t2時(shí)刻的相對四元數(shù)；獲取衛(wèi)星在t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的地球磁場矢量，將t1時(shí)刻的地球磁場矢量轉(zhuǎn)換到t2時(shí)刻的本體坐標(biāo)系中，按照雙矢量定姿的方法，即可得到當(dāng)前時(shí)刻姿態(tài)四元數(shù)。本發(fā)明的方法不需要初始衛(wèi)星姿態(tài)，不需要濾波處理，并且只使用了可靠性較高的姿控部件磁強(qiáng)計(jì)和陀螺儀，成本低，尤其是在衛(wèi)星出現(xiàn)異常其他定姿方法不可用的情況下，使用該方法可以做出應(yīng)急處理，降低了衛(wèi)星運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。
【專利說明】
基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星姿態(tài)確定技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于地磁場和陀螺的非濾波無 初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星姿態(tài)確定的方法有很多，雙矢量定姿法和陀螺積分定姿法是其中比較常用的 方法。采用雙矢量定姿法要求同一時(shí)刻要有兩個(gè)矢量，或者在一個(gè)矢量的基礎(chǔ)上利用陀螺 濾波處理偏差;采用陀螺儀積分定姿首先要知道初始狀態(tài)，而且還有累積誤差，衛(wèi)星在太空 中由于環(huán)境惡劣難免會發(fā)生各種突發(fā)或者異常的情況，經(jīng)常導(dǎo)致之前的數(shù)據(jù)丟失，或某些 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，在無可用的有效初始姿態(tài)信息時(shí)是無法使用陀螺積分定姿法的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對以上技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的 姿態(tài)確定方法，在無初始姿態(tài)的情況下，采用磁強(qiáng)計(jì)和陀螺的數(shù)據(jù)，利用雙矢量定姿原理確 定衛(wèi)星對地姿態(tài)。
[0004] 對此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法，衛(wèi)星運(yùn)行軌道為弧 線0bl0 b2，衛(wèi)星在h時(shí)刻所在點(diǎn)為0bl，衛(wèi)星在t2時(shí)刻所在點(diǎn)為0b2，參考坐標(biāo)系為OiXiYiZi，衛(wèi)星 在點(diǎn)Obi處的本體坐標(biāo)系為OblXblYblZbl，衛(wèi)星在點(diǎn)0b2處的本體坐標(biāo)系為0b2Xb2Yb2Zb2，點(diǎn)Obi處 地球磁場矢量為出，點(diǎn)0 b2處地球磁場矢量為B2;
[0006] Bi在本體坐標(biāo)系0blXblYblZbl下的描述為B bl，在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi下的描述為Bu， B2在本體坐標(biāo)系0b2Xb2Yb2Zb2下的描述為Bb2，在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi下的描述為Bi2 ;
[0007] 所述基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法包括以下步驟：
[0008] 步驟S1:陀螺儀輸出數(shù)據(jù)得到t時(shí)刻本體坐標(biāo)系下的衛(wèi)星角速度為 6\
[0009] c〇b = ω2 _叫_
[001 0]步驟S2:采用四元數(shù)描述的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程為：
[0012] 其中，Q為初始姿態(tài)四元數(shù)；
[0013] 步驟S3:使用[0 0 0 1]作為初始姿態(tài)四元數(shù)，通過積分求得衛(wèi)星h時(shí)刻相對于t2 時(shí)刻的相對四元數(shù)m 〇力；
[0014] 將乜時(shí)刻的Bbl矢量轉(zhuǎn)換到t2時(shí)刻的本體坐標(biāo)系中，記做V bl，則=β￥( ?56:1 ;
[0015] 其中，表示四元數(shù)與三位矢量的乘法；
[0016] 步驟S4:由仏1幾2』、112按照雙矢量定姿的方法，即可得到當(dāng)前時(shí)刻本體系 Ob2Xb2Yb 2Zb2相對于參考坐標(biāo)系OiXiYiZi的姿態(tài)四元數(shù)Qbi。
[00?7]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S4包括以下子步驟：
[0018] 子步驟A:在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi中，以Bii、Bi2為參考矢量建立正交坐標(biāo)系OiRiR2R3， 各坐標(biāo)軸的單位矢量是：
[0020] 用矩陣來表示為：
[0021] Mr=[Ri R2 R3];
[0022] 在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob2Xb2Yb2Zb2中，以V bl、Bb2為參考矢量建立正交坐標(biāo)系Ob2SlS2S3， 各坐標(biāo)軸的單位矢量是：
[0024] 用矩陣來表示為：
[0025] Ms=[Si S2 S3]；
[0026] 子步驟B:衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob2Xb2Yb2Z b2相對于參考坐標(biāo)系OiXiYiZi的轉(zhuǎn)換矩陣為Abi 為： Α Λ Λ XX XV- χζ
[0027] Abi= Ayx Ayy Ανζ 4, 4ν
[0028] Ms = AbiMR；
[0029] 矢量Bii、Bi2不平彳丁時(shí)，矩陣Mr可逆，得到為^ ;
[0030] 子步驟C:將Abl轉(zhuǎn)換為四元數(shù)形式，得到衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)^為： ^bil
[0031] Qbi= qm , ^bi3
[0032] 則得到
[0033] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，點(diǎn)0bl處地球磁場矢量仏、點(diǎn)0b2處地球磁場矢量出采用 磁強(qiáng)計(jì)得到。
[0034]衛(wèi)星在設(shè)計(jì)時(shí)，軌道就已經(jīng)確定，此時(shí)可通過地球磁場模型預(yù)算出軌道上任意一 點(diǎn)的地球磁場矢量在參考坐標(biāo)系下的描述。理論上來說，雙矢量定姿法對兩個(gè)矢量間的夾 角有一定的要求，而且越接近90°效果越好，選取合適的Bu、B l2，就可以達(dá)到比較好的雙矢 量定姿效果。
[0035]本發(fā)明的有益效果為：
[0036]采用本發(fā)明的技術(shù)方案，在無初始姿態(tài)的情況下，采用磁強(qiáng)計(jì)和陀螺的數(shù)據(jù)，利用 雙矢量定姿原理確定衛(wèi)星對地姿態(tài)。本發(fā)明的方法不需要初始衛(wèi)星姿態(tài)，不需要濾波處理， 并且只使用了可靠性較高的姿控部件磁強(qiáng)計(jì)和陀螺儀，成本低，尤其是在衛(wèi)星出現(xiàn)異常其 他定姿方法不可用的情況下，使用該方法可以做出應(yīng)急處理，降低了衛(wèi)星運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明衛(wèi)星運(yùn)行軌道坐標(biāo)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0039] 一種基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法，如圖1所示，衛(wèi)星運(yùn) 行軌道為弧線0bl0b2,衛(wèi)星在tl時(shí)刻所在點(diǎn)為Obl，衛(wèi)星在t2時(shí)刻所在點(diǎn)為0b2,參考坐標(biāo)系為 OiXiYiZi，衛(wèi)星在點(diǎn)0 bl處的本體坐標(biāo)系為0blXblYblZbl，衛(wèi)星在點(diǎn)0 b2處的本體坐標(biāo)系為 Ob2Xb2Yb2Zb2，點(diǎn)Obi處地球磁場矢量為Bl，點(diǎn)0b2處地球磁場矢量為B2 ;
[0040] Bi在本體坐標(biāo)系ObiXbiYbiZbi下的描述為Bbi，在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi下的描述為Bu， B2在本體坐標(biāo)系Ob2Xb2Yb2Zb2下的描述為Bb2，在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi下的描述為Bi2。
[0041] 衛(wèi)星運(yùn)行軌道選擇太陽同步圓軌道，平均軌道高度524km，軌道傾角97.47°，降交 點(diǎn)地方時(shí)06:10~06:30AM，在不考慮地磁測量誤差、陀螺誤差、地磁模型誤差的情況下，選 擇一系列如表1中所述的不同t@t 2時(shí)間間隔，采用下面的步驟得到衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)Qbl。
[0042] 步驟S1:陀螺儀輸出數(shù)據(jù)得到t時(shí)刻本體坐標(biāo)系下的衛(wèi)星角速度為
[0044]步驟S2:采用四元數(shù)描述的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程為：
[0046]其中，Q為初始姿態(tài)四元數(shù)；
[0047]步驟S3:使用[0 0 0 1]作為初始姿態(tài)四元數(shù)，通過龍哥庫塔積分求得衛(wèi)星。時(shí)刻 相對于t2時(shí)刻的相對四元數(shù)為:= f1:
[0048] 將。時(shí)刻的Bbl矢量轉(zhuǎn)換到t2時(shí)刻的本體坐標(biāo)系中，記做V bl，則：二? β;)1 ;
[0049] 其中，?__表示四元數(shù)與三位矢量的乘法；
[0050] 步驟S4:由^:^^^^按照雙矢量定姿的方法肩可得到當(dāng)前時(shí)刻本體系 Ob2Xb2Yb2Zb2相對于參考坐標(biāo)系OiXiYiZi的姿態(tài)四元數(shù)Q bi，具體為：
[0051 ] 子步驟A:在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi中，以Bii、Bi2為參考矢量建立正交坐標(biāo)系OiRiR2R3， 各坐標(biāo)軸的單位矢量是：
[0053]用矩陣來表示為：
[0054] Mr=[Ri R2 R3];
[0055] 在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob2Xb2Yb2Zb2中，以V bl、Bb2為參考矢量建立正交坐標(biāo)系Ob2SlS2S3， 各坐標(biāo)軸的單位矢量是：
[0057] 用矩陣來表示為：
[0058] Ms=[Si S2 S3]；
[0059] 子步驟B:衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob2Xb2Yb2Zb2相對于參考坐標(biāo)系OiXiYiZi的轉(zhuǎn)換矩陣為Abi 為： A-r
[0060] 4= Α, Λ, Ar _Λ-ν Ar A： _
[0061] Ms = AbiMR；
[0062] 矢量Bn、Bi2不平行時(shí)，矩陣Mr可逆，得到4,
[0063] 子步驟C:將Abl轉(zhuǎn)換為四元數(shù)形式，得到衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)^為： 9.bi\
[0064] Qbi= qb，1 , Jim _
[0065] 則得到：
[0066] 通過計(jì)算，得到不同時(shí)間間隔的姿態(tài)偏差角范圍，如表1所示，將Qbl與理論模型的 衛(wèi)星姿態(tài)求姿態(tài)偏差角，仿真結(jié)果如下表1所示：
[0067] 表1不同時(shí)間間隔的姿態(tài)偏差角范圍
[0069]由表1的結(jié)果可見，各軸的姿態(tài)偏差角可達(dá)±0.8°以內(nèi)，效果很好。
[0070]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法，其特征在于:衛(wèi)星運(yùn) 行軌道為弧線0bl0b2,衛(wèi)星在tl時(shí)刻所在點(diǎn)為Obl，衛(wèi)星在t2時(shí)刻所在點(diǎn)為Ob2,參考坐標(biāo)系為 OiXiYiZi，衛(wèi)星在點(diǎn)Obl處的本體坐標(biāo)系為OblXb1Yb 1Zb1，衛(wèi)星在點(diǎn)Ob2處的本體坐標(biāo)系為 Ob2Xb2Yb2Zb2，點(diǎn)Obl處地球磁場矢量為B 1，點(diǎn)Ob2處地球磁場矢量為B2; B1在本體坐標(biāo)系 ObiXbiYbiZbi下的描述為Bbi，在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi下的描述為Bii，B2在本體坐標(biāo)系 Ob2Xb2Yb2Zb2下的描述為Bb2，在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi下的描述為Bi2 ; 所述基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法包括以下步驟： 步驟Sl:陀螺儀輸出數(shù)據(jù)得到t時(shí)刻本體坐標(biāo)系下的衛(wèi)星角速度為步驟S2:采用四元數(shù)描述的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程為：其中，Q為初始姿態(tài)四元數(shù)； 步驟S3.柿田「Π η η11作為初始姿態(tài)四元數(shù)，通過積分求得衛(wèi)星tl時(shí)刻相對于t2時(shí)刻 的相對四元將^時(shí)刻的Bbl矢量轉(zhuǎn)換到t2時(shí)刻的本體坐標(biāo)系中，記做V bl，及 其中，?表示四元數(shù)與三位矢量的乘法； 步驟S4:由Bi1 JihB7 bi、Bb2按照雙矢量定姿的方法，即可得到當(dāng)前時(shí)刻本體系 Ob2Xb2Yb2Zb2相對于參考坐標(biāo)系OiXiYiZ i的姿態(tài)四元數(shù)Qbi。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法，其 特征在于:步驟S4包括以下子步驟： 子步驟A:在參考坐標(biāo)系OiXiYiZi中，以Bii、Bi2為參考矢量建立正交坐標(biāo)系OiRiR2R3，各坐 標(biāo)軸的單位矢量是：用矩陣來表示為： Mr=[Ri R2 R3]; 在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob2Xb2Yb2Zb2中，以Y bl、Bb2為參考矢量建立正交坐標(biāo)系Ob2SlS2S3,各坐 標(biāo)軸的里份玍量縣； 用矩陣來表示為：Ms= [Si S2 S3]; 子步驟B:衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ob2Xb2Yb2Zb2相對于參考坐標(biāo)系OiXiYiZ i的轉(zhuǎn)換矩陣為Abi為：矢量Bii、Bi2不平彳丁時(shí)，矩陣Mr可逆，得到子步驟C:將Abl轉(zhuǎn)換為四元數(shù)形式，得到衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)QblS:3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地磁場和陀螺的非濾波無初始姿態(tài)的姿態(tài)確定方法，其 特征在于：點(diǎn)Obl處地球磁場矢量Bl、點(diǎn)0b2處地球磁場矢量B2采用磁強(qiáng)計(jì)得到。
【文檔編號】G01C21/24GK106017455SQ201610333029
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】寇義民, 季艷波, 袁勤, 薛力軍, 郭碧波, 李春, 劉寬俊
【申請人】深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司