一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，包括建立星敏感器综合误差模型；将星敏感器综合误差模型中的误差特征进行约简，得到星敏感器的低维测量模型；构建卫星姿态确定联合寻优模型；根据卫星姿态确定联合寻优模型，设置姿态滤波算法，并根据卫星姿态确定联合寻优模型和姿态滤波算法，得出卫星姿态确定系统。本发明专利技术在星敏感器综合误差模型的基础上，还进一步的对其进行约简，解决了星上存储和计算受限的问题，针对约简后的星敏感器综合误差模型，联立卫星姿态运动学模型，构建卫星姿态确定联合寻优模型，并且确定针对卫星姿态确定联合寻优模型的姿态滤波算法，卫星姿态确定系统中计算的精度和效率就会有明显的提高。

A Method to Improve the Accuracy and Efficiency of Satellite Attitude Determination

The invention discloses a method for improving the accuracy and efficiency of satellite attitude determination, including establishing a comprehensive error model of star sensor, reducing the error characteristics of the comprehensive error model of star sensor, obtaining a low-dimensional measurement model of star sensor, constructing a joint optimization model of satellite attitude determination, establishing a joint optimization model based on satellite attitude determination, setting up an attitude filtering algorithm, and According to the joint optimization model of satellite attitude determination and attitude filtering algorithm, the satellite attitude determination system is obtained. On the basis of the comprehensive error model of star sensor, the method further reduces it to solve the problem of limited storage and calculation on satellite. Aiming at the reduced integrated error model of star sensor, the attitude kinematics model of satellite is set up, the joint optimization model of satellite attitude determination is constructed, and the attitude filtering algorithm of the joint optimization model for satellite attitude determination is determined. The accuracy and efficiency of calculation in satellite attitude determination system will be improved obviously.

【技术实现步骤摘要】
一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法
本专利技术涉及卫星分析
，更具体地说涉及一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法。
技术介绍
对地观测卫星，包括测绘卫星、海洋卫星、资源卫星和气象卫星等，它们通过空间遥感器对地球陆地、海洋和大气实施观测，在国民经济和军事领域发挥重要作用，涉及国土普查、地图测绘、城市规划、气象预报、地质勘探、灾害监测、海洋管理以及战场侦察、导弹预警和军事评估等多方面任务。通过对地观测卫星获取的信息是国家基础性战略资源，对保障国民经济发展和维护国家主权起着重要作用。为完成对地观测任务，通常对卫星的定向有较高的预定要求，其定向天线须确定指向某个特定目标区。而大多数的星上载荷相对星体指向是固定的，这就要求卫星本体相对于空间某些已知基准目标(如地球等，也可称参考系)有给定方位或指向，描述这种方位的物理量就是卫星姿态。因此，卫星高精度姿态确定是高分辨率成像、高精度测绘等卫星应用的重要基础和关键技术。卫星姿态确定系统主要由姿态敏感器和相应的信息处理算法即姿态确定算法组成。姿态确定精度取决于姿态敏感器测量精度和姿态确定算法精度。随着高分辨率对地观测(地面分辨率优于0.1米)、高精度立体测绘(比例尺1:10000)等卫星实际应用对性能指标提出了越来越高的要求，即要求卫星姿态测量精度优于1角秒，卫星姿态确定精度优于0.5角秒，因此，在进行卫星姿态确定时，需要进一步考虑以往忽略的一些因素。主要包括：(1)要全面把握姿态敏感器在轨测量误差的影响，以目前航天应用中姿态测量精度最高的星敏感器(姿态敏感器的一种)为例，影响测量精度的误差不仅包括与星敏感器设计有关的热、像差、采样噪声、星点提取等内部误差因素，还包括在轨位置、温度、星体抖动振动、星敏感器相对安装误差及基准形变等与卫星本身结构及在轨运行环境等有关的外部误差因素；(2)要充分考虑误差的在轨校准及对姿态确定算法设计的影响。设计星敏感器各类误差的在轨测试标定与精度补偿算法，提高星敏感器测量输出数据精度与准确性，同时需要解决卫星在轨环境下，姿态确定模型与参数的非线性、不确定性，噪声的非加性、非高斯性等情况下的参数辨识与估计问题；(3)要客观认识星上存储空间和星上计算机计算资源受限这一因素。由于星敏感器在轨测量数据中包含了多种形式多样、特性复杂的内、外部误差的影响，如果在测量模型中全面精确描述星敏感器各类在轨测量误差，将会导致测量模型庞大、复杂，待估计参数维数过高等问题，进而显著增大存储和计算负担，影响估计效率；尽管国内外学者已经进行了高精度姿态确定的研究工作，在实际卫星上也有一些应用。但是，现有的研究工作很少涉及卫星(特别是复杂卫星)在轨运行过程中，由于受到振动、抖动、温度变化、星体形变等各种环境因素的影响，致使姿态敏感器输出数据形式及精度已受到内部及外部误差的干扰，大幅下降，以及测量数据的误差特性也发生较大改变的问题。这些新的误差因素的产生以及误差特性的改变，必然影响复杂卫星姿态确定算法的设计，此时需要设计相应的姿态确定算法以解决卫星在轨环境下，姿态确定模型与参数的非线性、不确定性，噪声的非加性、非高斯性等情况下的参数辨识与姿态滤波问题；此外，误差的多样式、复杂化，会导致卫星姿态确定系统庞大、复杂，待估计参数维数过高等问题，利用星上有限的存储和计算资源，必然影响估计效率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：如何在星上存储空间和星上计算机计算资源受限的情况下，提高卫星姿态确定的精度和效率。本专利技术解决其技术问题的解决方案是：一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，包括以下步骤：步骤1，根据星敏感器在轨姿态测量误差的误差源影响机理，结合对应误差参数优化设计，建立星敏感器综合误差模型；步骤2，将星敏感器综合误差模型中的误差特征进行约简，得到星敏感器的低维测量模型；步骤3，将星敏感器综合误差模型中约简后的误差特征作为待估参数，并联立星敏感器的低维测量模型和卫星姿态运动学模型，构建卫星姿态确定联合寻优模型；步骤4，根据卫星姿态确定联合寻优模型，设置姿态滤波算法，并根据卫星姿态确定联合寻优模型和姿态滤波算法，得出卫星姿态确定系统。作为上述技术方案的进一步改进，步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1，根据星敏感器在轨姿态测量的全过程，采用误差溯源分析方法，确定星敏感器在轨姿态测量的各误差因素；步骤1.2，根据各个误差因素的误差源影响机理，结合不确定建模方法，建立星敏感器在轨姿态测量的各个误差特征模型；步骤1.3，根据各误差因素的误差源影响机理，建立各误差特征模型的参数空间；步骤1.4，结合各个误差特征模型及其对应的参数空间，建立星敏感器综合误差模型。作为上述技术方案的进一步改进，步骤1.2具体包括以下步骤：步骤1.2.1，分析星敏感器在轨姿态测量误差的误差源影响机理中的各误差特征之间的耦合递进关系；步骤1.2.2，将不确定建模方法与各误差特征之间的耦合递进关系的分析结果相结合，对各误差特征进行物理建模和数学建模，得到各误差特征的物理模型以及数学模型。作为上述技术方案的进一步改进，步骤1.3具体包括以下步骤：步骤1.3.1，根据各误差因素的误差源影响机理，获得星敏感器在轨姿态测量精度与参数的约束关系，并获取参数的范围；此处所述的参数包括卫星轨道周期、抖动振动频率、幅度、温度变化梯度等数据。步骤1.3.2，通过优化模型分析星敏感器在轨姿态测量精度与参数的约束关系和参数的范围，得到各个误差特征模型的参数空间。作为上述技术方案的进一步改进，步骤1.4具体包括以下步骤：步骤1.4.1，将各误差特征的物理模型和数学模型结合，实现各星敏感器在轨姿态测量误差特征的物理逼真度和复杂度的折中；步骤1.4.2，将结合后的各误差特征的物理模型和数学模型，以对应的参数空间为约束，建立星敏感器综合误差特征模型。作为上述技术方案的进一步改进，步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1，从星敏感器综合误差特征模型的各误差特征模型中选取能够稀疏表示的误差特征模型；步骤2.2，将能够稀疏表示的误差特征模型以系数参数的多成分字典表示，建立误差特征模型对应的稀疏参数模型；步骤2.3，将星敏感器综合误差特征模型中无法稀疏表示的误差特征模型进行解耦，得到误差特征模型的自主学习优化模型；步骤2.4，针对各个稀疏参数模型以及自主学习优化模型，通过流行学习方法进行降维，构成星敏感器的低维测量模型。作为上述技术方案的进一步改进，步骤2.3具体包括以下步骤：步骤2.3.1，在星敏感器在轨姿态测量误差的误差源影响机理的基础上，分析星敏感器综合误差特征模型中无法稀疏表示的误差特征模型和对应不确定参数之间的相似性和耦合性；步骤2.3.2，解除星敏感器综合误差特征模型中无法稀疏表示的误差特征模型之间的耦合交互作用项，得到误差特征模型的自主学习优化模型。作为上述技术方案的进一步改进，步骤2.4具体包括以下步骤：步骤2.4.1，采用自适应局部切空间排列流形学习和相空间重构相结合的方法，对各稀疏参数模型和各自主学习优化模型，构建混合域上的误差特征集；步骤2.4.2，利用多准则融合评价序列对混合域上的误差特征集进行误差特征选择，得到关键误差特征子集；步骤2.4.3，将关键误差特征子集输入到自适应正交领域保持嵌入流形学习中进行特征融合约简，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据星敏感器在轨姿态测量误差的误差源影响机理，结合对应误差参数优化设计，建立星敏感器综合误差模型；步骤2，将星敏感器综合误差模型中的误差特征进行约简，得到星敏感器的低维测量模型；步骤3，将星敏感器综合误差模型中约简后的误差特征作为待估参数，并联立星敏感器的低维测量模型和卫星姿态运动学模型，构建卫星姿态确定联合寻优模型；步骤4，根据卫星姿态确定联合寻优模型，设置姿态滤波算法，并根据卫星姿态确定联合寻优模型和姿态滤波算法，得出卫星姿态确定系统。

【技术特征摘要】
1.一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据星敏感器在轨姿态测量误差的误差源影响机理，结合对应误差参数优化设计，建立星敏感器综合误差模型；步骤2，将星敏感器综合误差模型中的误差特征进行约简，得到星敏感器的低维测量模型；步骤3，将星敏感器综合误差模型中约简后的误差特征作为待估参数，并联立星敏感器的低维测量模型和卫星姿态运动学模型，构建卫星姿态确定联合寻优模型；步骤4，根据卫星姿态确定联合寻优模型，设置姿态滤波算法，并根据卫星姿态确定联合寻优模型和姿态滤波算法，得出卫星姿态确定系统。2.根据权利要求1所述的一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1，根据星敏感器在轨姿态测量的全过程，采用误差溯源分析方法，确定星敏感器在轨姿态测量的各误差因素；步骤1.2，根据各个误差因素的误差源影响机理，结合不确定建模方法，建立星敏感器在轨姿态测量的各个误差特征模型；步骤1.3，根据各误差因素的误差源影响机理，建立各误差特征模型的参数空间；步骤1.4，结合各个误差特征模型及其对应的参数空间，建立星敏感器综合误差模型。3.根据权利要求2所述的一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，其特征在于，步骤1.2具体包括以下步骤：步骤1.2.1，分析星敏感器在轨姿态测量误差的误差源影响机理中的各误差特征之间的耦合递进关系；步骤1.2.2，将不确定建模方法与各误差特征之间的耦合递进关系的分析结果相结合，对各误差特征进行物理建模和数学建模，得到各误差特征的物理模型以及数学模型。4.根据权利要求3所述的一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，其特征在于，步骤1.3具体包括以下步骤：步骤1.3.1，根据各误差因素的误差源影响机理，获得星敏感器在轨姿态测量精度与参数的约束关系，并获取参数的范围；步骤1.3.2，通过优化模型分析星敏感器在轨姿态测量精度与参数的约束关系和参数的范围，得到各个误差特征模型的参数空间。5.根据权利要求4所述的一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，其特征在于，步骤1.4...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彧赟，王炯琦，何敏藩，苗晴，邢立宁，王锐，伍国华，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44